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高分辨率压电陶瓷驱动电源设计方案

2013-09-30 10:53
木中君
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  作者:葛川,李朋志,章明朝,闫丰

  根据压电陶瓷微位移器对驱动电源的需求,设计了压电驱动电源系统的方案。该方案先介绍了电源系统中的数字电路部分和模拟电路部分,并对驱动电源的精度与稳定性进行了分析与改进。最后对驱动电源的性能进行了实验验证。实验结果表明:该设计方案的电源输出电压噪声低于0.43 mV、输出最大非线性误差低于0.024%、分辨率可达1.44 mV,能够满足高分辨率微位移定位系统中静态定位控制的需求。

  0 引言

  压电陶瓷驱动器(PZT)是微位移平台的核心,其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变,从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点,在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用,压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调,同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术。

  1 压电驱动电源的系统结构

  1.1 压电驱动电源的分类

  随着压电陶瓷微位移定位技术的发展,各种专用于压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前驱动电源的形式主要有电荷控制式和直流放大式两种。电荷控制式驱动电源存在零点漂移,低频特性差的特点限制其应用。而直流放大式驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单等特点,因而本文的设计原理采用直流放大式压电驱动电源。直流放大式电源的原理如图1所示。

高分辨率压电陶瓷驱动电源设计方案

  1.2 直流放大式压电驱动电源的系统结构

  驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的直流电压(0~10 V),通过放大电路对D/A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。

  该设计中采用LPC2131作为微处理器,用于产生控制信号及波形;采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片,产生连续可调的直流低压信号;采用APEX公司的功率放大器PA78 作为功率放大器件,输出0~100 V 的高压信号从而驱动PZT.为实现高分辨率压电驱动器的应用,压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。

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