王樂蓉，韓 森

上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

壓電陶瓷具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲等特點(diǎn)，是理想的納米級(jí)微位移執(zhí)行器件。隨著壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用及高精度定位需求的增加，對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源也提出了較高要求[1]。壓電陶瓷自身具有磁滯和蠕變特性，使其難以開環(huán)形式應(yīng)用于精密位移控制領(lǐng)域，如高精度移相器等[2]。為了提高控制精度，普遍使用位移反饋構(gòu)建閉環(huán)控制與前饋補(bǔ)償控制相結(jié)合的方式，達(dá)到高精度驅(qū)動(dòng)的目的[3]。采用高壓運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)器輸出精度高，但輸出功率有限，且最高工作電壓由高壓運(yùn)放本身決定，無法靈活調(diào)整[5-6]。恒流源高壓放大器存在靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間的矛盾，文獻(xiàn)[7]的動(dòng)態(tài)恒流源放大器電流動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍仍不夠大。文獻(xiàn)[8]的多單元浮地級(jí)聯(lián)式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源基本單元由甲、乙類功放構(gòu)成，也存在功耗和動(dòng)態(tài)響應(yīng)平衡問題。放大器在良好的動(dòng)態(tài)性能時(shí)盡可能地提升工作效率，這不僅可以降低電源自身的發(fā)熱，減輕功率器件的負(fù)荷，同時(shí)也符合現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保的要求。

1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

壓電陶瓷因自身具有的遲滯性、非線性、蠕變性而無法直接精確控制壓電陶瓷的位移，因而產(chǎn)生了一系列矯正措施來修正壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)誤差[9]。典型的修正系統(tǒng)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)給驅(qū)動(dòng)電源提供信號(hào)電壓，使壓電陶瓷動(dòng)作。同時(shí)，根據(jù)位移檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)，通過一定的修正算法求出能使壓電陶瓷的實(shí)際位移和目標(biāo)位移一致的修正波形，將修正后的驅(qū)動(dòng)波形注入驅(qū)動(dòng)電源，達(dá)到高精度驅(qū)動(dòng)的目的。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源承載著將控制器給出的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成等比例的高壓，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷執(zhí)行機(jī)械位移的功能，在整個(gè)環(huán)節(jié)中起著關(guān)鍵作用。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 放大器的結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)恒流源結(jié)構(gòu)的放大器，如圖2所示。放大器工作在甲類狀態(tài)，在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)功率器件不會(huì)出現(xiàn)截止電流，不存在交越失真，輸出精度高。這類放大器能向負(fù)載提供的最大電流為恒流源電流I，當(dāng)接入阻抗為RL的負(fù)載時(shí)，電路中消耗的功率P為

(1)

式中：Vcc為電源電壓；Vout為輸出電壓。當(dāng)I較大時(shí)，電路中消耗的功率將增加；I較小時(shí)易出現(xiàn)截止失真。

圖2 驅(qū)動(dòng)電源基本結(jié)構(gòu)

1.2 驅(qū)動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及其補(bǔ)償

圖3是一個(gè)典型的同相放大器的傳輸模型。其中A為放大器開環(huán)增益，β為反饋系數(shù)，放大器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

圖3 放大器傳輸模型

接入容性負(fù)載后，放大器輸出帶寬和壓擺率會(huì)降低，同時(shí)反饋環(huán)路有額外的相位滯后，降低了放大器的相位余量。放大器的輸出阻抗是影響容性負(fù)載能力的重要因素之一，減小輸出阻抗可以降低容性負(fù)載對(duì)相位延遲的影響。另外，增加補(bǔ)償回路也是一種常用辦法，其中環(huán)內(nèi)補(bǔ)償應(yīng)用最廣。其等效模型如圖4所示，其中Rf、R1是反饋回路，CL是負(fù)載電容，Rx和Cx是補(bǔ)償回路。當(dāng)滿足Rf?Ro、R1?Ro、RL?Ro時(shí)，Rx、Cx分別為

(3)

(4)

式中Ro為放大器輸出阻抗。使用器件官方的SPICE模型對(duì)電路進(jìn)行模擬，得到Ro的大概值。通過實(shí)際電路調(diào)試得到具體的Cx、Rx值。CL可通過壓電陶瓷的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取，也可通過萬用表測(cè)試得到。

圖4 放大器補(bǔ)償回路

2 分段供電式動(dòng)態(tài)電流源驅(qū)動(dòng)器

2.1 動(dòng)態(tài)電流源放大器

若圖2中I值動(dòng)態(tài)可調(diào)，可使放大器在靜態(tài)時(shí)工作在較小電流，動(dòng)態(tài)時(shí)工作在較大電流下。圖5為動(dòng)態(tài)電流源放大電路。由圖5可見，輸入信號(hào)分為兩路：一路進(jìn)入放大器放大輸出，一路經(jīng)過比例微分電路檢出輸入信號(hào)的變化率，以此調(diào)整放大器工作電流。容性負(fù)載只在充放電時(shí)有電流流過，電壓保持不變時(shí)幾乎沒有電流消耗，因此，使用輸入信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)控制放大器的工作電流可以達(dá)到較好的效果。運(yùn)放U12A和U13A組成微分電路，微分電路輸出信號(hào)Uo和輸入信號(hào)Ui的關(guān)系為

(5)

圖5 動(dòng)態(tài)電流源放大電路

由式(5)可知，U0是一個(gè)正比于輸入信號(hào)變化率的電壓。電路中R7、R8、R9、Q8、U2構(gòu)成恒流源電路，電流值為

(6)

式中：UQ9be為Q9的基極和發(fā)射極電壓差，取硅管的Ube=0.7 V；UR8為電阻R8上的電壓，有

(7)

式中：RU2為線性光電耦合器的輸出端的等效電阻；Vs+、Vs-為恒流源基準(zhǔn)源的隔離電源正、負(fù)極。電路中R7、R8用于限制恒流源的電流調(diào)節(jié)范圍，防止電流過大而燒壞器件。

光電耦合器的輸出端電流受輸入端流過的電流控制，其電流傳輸比(CTR)是輸出電流與輸入電流的比值。CTR描述了光耦的傳輸特性，線性光耦的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是傳輸交流小信號(hào)時(shí)有接近于直流電流的傳輸比。運(yùn)放U13A的輸出端電壓控制著光電耦合器的輸入電流，通過CTR影響光耦的等效輸出電阻。由式(6)、(7)可知，恒流源的電流值正比于運(yùn)放電壓。

2.2 多路抽頭電源

動(dòng)態(tài)恒流源電流很大程度上可降低電路的靜態(tài)功耗，但對(duì)動(dòng)態(tài)功耗沒有太大改善。多路抽頭電源給放大器提供了一個(gè)可根據(jù)放大器輸出電壓的大小進(jìn)行切換的供電電壓。由式(1)可知，供電電壓降低后可減小電路中消耗的功率，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效能。電源調(diào)整電路的邏輯判斷部分如圖6所示。電路中R1、R2組成分壓電路，對(duì)放大器輸出電壓采樣，采樣端輸出電壓為

(9)

圖6 電源邏輯電路

通過電阻R3、R4、R5、R6、R7將基準(zhǔn)電壓Vref分割為4個(gè)等電壓梯度的基準(zhǔn)電壓，輸入給電壓比較器的參考端?；鶞?zhǔn)電壓高于采樣端電壓Uin+的運(yùn)放輸出高電平，反之輸出低電平，經(jīng)過異或門后，只有一路輸出高電平來打開電源開關(guān)。本次設(shè)計(jì)中抽頭電壓分別為50 V、100 V、150 V、210 V，為了降低輸出電壓，接近切換電壓時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)置切換電壓比抽頭電壓低10 V。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本次設(shè)計(jì)的分段供電式動(dòng)態(tài)電流源放大器輸入電壓為24 V，自行設(shè)計(jì)升壓逆變器，產(chǎn)生50 V、100 V、150 V、210 V的四級(jí)抽頭高壓電源。實(shí)驗(yàn)波形由控制板上的單片機(jī)產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由單片機(jī)采樣或者示波器測(cè)試得到。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，實(shí)驗(yàn)儀器有信號(hào)源、示波器、臺(tái)式萬用表，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為自制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)負(fù)載為0.1F電容或者壓電陶瓷堆疊器件。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 階躍響應(yīng)特性測(cè)試

圖8為階躍響應(yīng)測(cè)試曲線，測(cè)試負(fù)載為0.1 μF電容。輸出電壓從0上升到50 V，需要150 μs；從50 V下降到0，需要100 μs。由圖可見，信號(hào)無過沖和振鈴。

圖8 階躍響應(yīng)測(cè)試

3.2 電流調(diào)整測(cè)試

圖9為在三角波激勵(lì)下，輸出信號(hào)和電流源調(diào)整電路輸出波形之間的關(guān)系。由圖可見，電流調(diào)整電路能有效地根據(jù)輸入波形變化率來調(diào)整放大器的工作電流，在調(diào)整范圍內(nèi)輸出波形不失真。測(cè)試負(fù)載為壓電陶瓷器件。

圖9 放大器恒流源電流和輸出波形

3.3 分段電壓測(cè)試

圖10為在幅度為120 V的三角波輸出下，放大器電源電壓的周期性調(diào)整波形，放大器電源電壓在50 V，100 V，150 V之間自動(dòng)切換。測(cè)試負(fù)載為壓電陶瓷器件。

圖10 分段電源電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

在保證壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出動(dòng)態(tài)特性的前提下，盡可能地提升電源利用率，這不僅可以降低電源自身的發(fā)熱，減輕功率器件的負(fù)荷，同時(shí)也符合現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保的要求。本文設(shè)計(jì)的高壓放大器工作在低失真的甲類狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)無變化時(shí)，放大器工作在10 mA靜態(tài)電流的低功率狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，微分電路根據(jù)輸入信號(hào)的變化率動(dòng)態(tài)增加放大器工作電流，加速容性負(fù)載的充放電速率。放大器最大輸出電流可達(dá)400 mA。同時(shí)使用50 V、100 V、150 V、210 V電源對(duì)放大器分段供電，電源在輸出電壓較低時(shí)自動(dòng)降低供電電壓，在輸出高電壓時(shí)自動(dòng)切換至高壓檔，提升放大器的動(dòng)態(tài)效能。最終驅(qū)動(dòng)電源最小靜態(tài)功耗為3 W，最大動(dòng)態(tài)輸出功率為80 W。電源在效能、響應(yīng)時(shí)間、帶載能力等方面均表現(xiàn)良好。