高精度数字盯梢式压电陶瓷驱动电源规划

  驱动电源的规划中，但是压电元件表现出的电容性和功率运放较高的输入失调电压（几十毫伏），使得电源操控存在精度不高、安稳性较差以及非线性失真等缺陷。并且模仿信号发生器的频率分辨率低且盯梢迟滞[1]，也降低了的动态呼应速度。因而规划一种高精度、安稳性高的数控压电陶瓷电源是完成微位移操控、非线性检测以及微机电体系转化的要害[2]。

  压电陶瓷驱动电源由自适应数字信号发生器、D/A转化、复合扩大器、高压直流电源、相位补偿和维护电路等组成，如图1所示。其间复合式扩大器优化了前级输入结构，选用高精度低漂移的低压运放与高压集成功率运算扩大器级联，在高电压大电流驱动压电负载的一起，完成较高的线性操控精度和动态呼应特性。

  压电陶瓷元件作业频率受温度、负载和触摸面的影响较大，因而信号发生器应具有频率盯梢功用，以实时调理作业频率。图2所示为一种数字式自适应信号发生器的原理框图[1]。其作业进程为：从取样电阻Rs处得到与输出电流成正比的电压信号Smp，该采样信号与循环计数器经D/A发生的锯齿波比较，得到一个脉冲信号，脉冲后沿将此循环计数值寄存至锁存器组，该值即为此时间模仿采样信号对应的数字量。循环计数器每隔128个周波，更新一次数字量，相邻时间的两个数字量送入极值比较器，则可判别电流变大（1）或削减（0），比较成果(1或0)通过D触发器来调整频率操控计数器方向，确认频率操控字的增减，自适应地实时调整频率。调整后的频率操控字查找波形数据表，输出12位数字量经D/A转化发生正弦波、方波和其他波形信号。该信号发生器由全数字硬件电路完成，分辨率比较高，作业频率安稳且无温度漂移现象。

  PA04是Cirrus Logic公司出产的一种高电压MOSFET功率运算扩大器，作业电压高达200 V，峰值输出电流为20 A，转化率为50 V/μs，最大输入失调电压可达10 mV，因输入特性不能够满意分辨率为10 mV以下的高精度压电驱动电源的要求，所以需协作其他器材运用。OP07是一种低噪声、高精度的单片运算扩大器，转化率为0.17 V/μs，输入级可供给75 μV的高精度输入失调电压和漂移，能高增益地扩大弱小信号，而不需求偏置和调零，这种特性使得OP07适协作前级扩大器来操控精度和漂移。故本规划的复合扩大器由高压扩大器PA04和低漂移高精度OP07运放级联组成[2-3]，构成一个具有反应的复合式扩大器，其间OP07是主扩大器，而PA04用作升压扩大器，完成高精度和低漂移的高电压电源的驱动，如图3所示。

  两个串联的高压开关DC电源为PA04供给±100 V直流电压，OP07电源选用±15 V供电。为进步噪声按捺才能，在复合扩大器电源两头别离并联0.1 μF电容去耦。复合结构扩大器开环增益AOL等于OP07开环增益和PA04的闭环扩大倍数之和，复合扩大器小信号沟通增益1/β由高精密电阻反应电阻RFC和输入电阻RIC之比确认。

  如图4所示，复合扩大器的开环增益与小信号沟通增益1/β在闭合频率fcl处交汇，该处环路增益Aβ为0 dB。当复合扩大器驱动容性压电负载时[3]，扩大器的输出阻抗Z0和容性负载CL会在开环增益AOL的高频段添加一个极点fp2=1/Z0CL，批改开环增益曲线中在fcl(标示为 )处闭合斜率差变为40 dB/dec，大于20 dB/dec，相移挨近180°，处于临界安稳状况，很可能会发生振动而损坏扩大器，故对复合扩大器进行相位补偿规划。

  复合扩大器的零点补偿包含升压扩大器PA04和复合结构的补偿。为确保容性负载时PA04升压扩大器作业安稳，对PA04的反应电阻RF和并联电容CF进行零点补偿[3-4]。本规划取CF为2 pF，扩大器相位裕度大于45°；复合结构反应电阻RFC并联反应电容CFC，构成零点补偿电路。该补偿结构使1/β曲线 dB/dec速度下插，与AOL/C曲线 dB/dec，但仍然大于20 dB/dec,故复合扩大器不安稳，需求噪声增益补偿。

  扩大器OP07输入端用两对IN4148二极管反接供给差模和共模维护,避免来自 CFC 的瞬态过压。OP07 输出端用快速康复二极管MUR160对瞬态过压进行维护，阻挠来自CF的瞬态过压通过PA04将OP07损坏；高压扩大器PA04输出端可添加一对快康复二极管UF4004，反向康复时间应小于100 ns，避免压电负载因为机械压力发生的电压对扩大器的冲击，将尖峰电压送回电源。

  压电陶瓷驱动电源的散热规划首要考虑复合扩大器的功耗，因压电负载呈纯容性,功率因数很低,电源输出功率简直悉数耗费在扩大器上，因而要挑选正真合适的散热方法确保壳温低于85 ℃。图7为散热规划剖析模型，该模型将功率等效为电流，温度等效为电压，热阻等

  PSPICE软件是一个多功用的数模混合电路实验渠道，具有快速、精确的仿真才能，能便利、精确地判别电路规划的正确性，故本规划选用PSpice V10.5来测验所规划的压电陶瓷驱动电源。

  信号发生器发生正弦波，起伏为5 V，频率规模为10 Hz~1 000 kHz，通过小信号增益电路测验[6]，输出电压Vo频率特性曲线所示。在转机频率处未呈现尖峰，标明相位裕度没下降。通过峰峰值为1 V的阶跃呼应测验，输出端未调查到过冲或振动，故体系在作业频带规模内是安稳的。