隨著精密工程和微細工程的迅速發展，亞微米和納米級定位技術已成為微機電系統、微電子和生物工程等前沿領域的關鍵技術[1]。精密定位系統主要包括機械部件和驅動控制系統兩部分。壓電陶瓷以其納米級位移精度、體積小、高頻響、承載力大、無噪聲等特點，成為微定位系統中的理想驅動器，并獲得了廣泛應用。而從某種意義上講，選定壓電陶瓷驅動器后，運動機構的分辨率及運動精度則取決于壓電驅動電源的性能[2]。在要求精密定位和系統的快速動態響應的應用場合，驅動電源需要利用各種動態波形作為輸入信號。一般可采用信號發生器作為信號源，或者利用PC機存儲波形，通過串口或并口下載到下位機從而產生波形，但因體積、成本及接口傳輸速度的局限使應用受到限制[3]。近年發展起來的直接數字頻率合成技術(DDS)以其頻率分辨率高、響應快、穩定性好等優點，成為改進傳統壓電驅動電源的優先選項[4]。本文以宏微雙重并聯結構的精密定位為研究背景，在對行業背景、應用領域及國內外研究現狀充分調研的基礎上，針對微動平臺開發了一種能滿足壓電驅動器快速響應的動態電源。
1 壓電陶瓷驅動電源的總體設計
    壓電陶瓷驅動器可等效為一個容性負載，其驅動電源可分為電壓控制型和電荷控制型。電壓控制型壓電陶瓷驅動器存在動態性能差的問題；電荷控制型壓電陶瓷驅動器則存在在靜態下易充電飽和、難以獲得穩定輸出的問題[5]。電荷型驅動電源設計較為復雜，充電電流及充電時間較難掌控且壓電驅動器存在漏電流現象，因此基于電壓控制的驅動電源得到了廣泛的應用。借助非線性補償和校正等措施，使得電壓控制型驅動電源能夠滿足系統定位精確性和快速性的要求。
    普通壓電驅動電源的動態響應時間均比壓電執行器的響應時間長，從而制約了壓電執行器在實時、復雜控制情況下的應用[6]。新型運算放大器的發展及動態性能的提高，要求輸入信號能夠提供足夠的頻率和帶寬。DDS作為第三代頻率合成技術，具有帶寬相對較寬、頻率轉換時間極短、頻率分辨率很高等優點，以全數字方式實現頻率合成，在信號發生領域漸已成為主流[7]。
    此外，因傳統的實現方法電路繁多，為了更好地滿足DDS技術的應用需要(如調頻、調幅等)，本設計采用FPGA實現DDS，通過數字方法可直接實現壓電驅動器的輸入波形[8]。在此基礎上，結合Apex Microtechnology公司的線性高壓運算放大器PA78構建橋式功率放大電路，采用補償和校正使電源的動態性能和穩態性能滿足系統要求。驅動電源系統組成如圖1所示。

2 DDS在FPGA內部的實現
    DDS工作的基本原理是將2?仔弧度做N位量化，以系統時鐘為參考頻率對信號相位進行采樣。N位頻率控制字在每個時鐘周期內與相位累加器中的相位進行一次累加，將累加結果的高位段作為地址去尋址相位查找表，將相位信息轉化為相應的數字量化幅度字。查找表輸出的量化波形序列經過數/模轉換器(DAC)變為階梯模擬信號，最后通過模擬低通濾波器平滑后得到一個頻譜很純的動態波形，作為高壓功率放大器的輸入信號。
    FPGA以Actel公司的Fusion M1AFS600為核心，內嵌Cortex-M1軟核構建可編程片上系統(SoPC)。在FPGA內部實現的DDS采用32 bit頻率控制字，為了實現動態波形，DDS查找表采用FPGA內部RAM的形式。通過改變SoPC中RAM里面的數據，即可實現各種動態波形。每個查找表的大小為2 048×10 bit，M1AFS600提供多達256×32 Kbit的SRAM和16×32 Mbit的Flash，完全滿足數十千字節波形數據庫的儲存和動態數據的更新。
    動態信號的可調頻率是通過相位累加器與相位寄存器的累加完成的。軟件設計采用Actel公司推出的集成開發環境Libero 8.5，從設計定義到下載測試的整個階段都通過流程圖的方式進行。采用VerilogHDL語言進行模塊開發。以下給出的是一個累加器的VerilogHDL參考程序：
    module acc(iclk,ik,osum);//模塊聲明，參數指定
    input    clk;    //輸入時鐘
    input[31:0] ik;//聲明32 bit的頻率控制字
    output    reg [31:0]osum;    //聲明osum為寄存器型變
//量，32 bit
    always@(posedge iclk)//總是在iclk的上升沿觸發
    osum=ik+osum;//定義累加操作
    endmodule;
3 DDS輸出信號濾波
    由于在波形產生的過程中，存在相位截斷誤差和幅值量化誤差以及D/A轉換器的各種非線性誤差，DDS數字部分不可避免地存在雜散成分。另外，受到時鐘泄漏和時鐘相位噪聲的影響，動態波形中會含有諧波分量。因此，需要設計低通濾波器濾除DDS輸出信號中的雜散成分和高頻雜波。
    以插入衰減理論為基礎的濾波器設計方法采用有理函數對理想衰減特性進行逼近，常見的有Butterworth濾波器、Bessel濾波器和橢圓濾波器。但通常階數過高，在濾波器前、后級阻抗匹配及特性的設定問題上沒有選擇的自由度[9]。本文設計了基于集成運放的三階壓控有源低通濾波器，濾波器包含3個低階RC濾波網絡。其輸入阻抗高、輸出阻抗低，且輸入/輸出具有良好的隔離，三階壓控有源低通濾波器電路如圖2所示。

    利用EDA軟件Multisim 7對電路進行仿真研究。從濾波器頻率特性上-3 dB帶寬可以看出，40 kHz以上的雜波能夠被有效濾除。
4 功率放大電路設計
    功率放大電路在整個電源系統中決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性。壓電陶瓷采用中國電子科技集團第二十六所的WTYD0808065型壓電驅動器，最大驅動電壓為200 V。PA78是Apex Microtechnology公司生產的一種高電壓、大帶寬的MOSFET線性運算放大器，輸出電流可達200 mA，壓擺率高達350 V/μs，帶寬達200 kHz，單端供電時輸出電壓最高可達300 V，滿足了壓電陶瓷的驅動要求[10]。
4.1 橋式高壓放大電路
    壓電驅動器負載呈容性，可導致驅動系統相位滯后甚至產生振蕩。針對此特性基于PA78設計了帶補償和校正的橋式放大電路，電路結構和參數的對稱性可以有效提高電源的驅動能力，降低輸出非線性的影響并降低二次諧波的失真。圖3所示為單邊復合放大電路原理圖，由輸入失調電壓低的前置放大級、后置功率放大級及補償校正網絡組成。

    控制信號范圍為0～5 V，PZT承受最大電壓為200 Vp-p，放大電路增益為40 dB。橋式電路結構對稱，單邊復合放大器的最大輸出為100 Vp-p，增益為20 dB。
    放大電路供電電源采用自行設計的基于電壓串聯的電源模塊。將工頻220 V電壓經多抽頭變壓器輸出，再經整流、濾波、穩壓得到5路24 V的穩定直流，串聯后給PA78正極供電。通過三端穩壓器LM7915穩壓后輸出直流電壓為-15 V，用來給PA78負極供電。利用快恢復二極管D1、D4，瞬態抑制器Z1、Z2可防止電壓過高損壞運算放大器。采用單點接地[11]，可以提高電源的穩定性。
4.2 驅動電源的補償與校正
    壓電驅動器的容性負載特性會導致驅動系統相位滯后，當電路增益一定，電路帶空載或小負載時表現相對穩定。但是當驅動大容性負載時由于相移過大極易產生高端提升，甚至產生振蕩，并且受噪聲的影響特別嚴重[12]。為此，引入了補償校正網絡對驅動電源的頻率特性進行修正，方法是在反饋電阻兩端接入補償電容。圖3中反饋零點補償網絡①、②和噪聲增益補償網絡③共同組成對電源系統的串聯滯后－超前校正。超前環節具有正相移作用，增大了系統的幅值裕量和相角裕量，而滯后校正環節則利用幅值衰減特性來提高系統的穩態性能。兩者結合使電源系統在確保穩定性的基礎上充分提高了有效頻響及負載能力。
    選用無極CBO電容模擬壓電陶瓷作為負載以驗證電源的容性負載驅動能力。WTYD0808065型壓電陶瓷的等效電容為6.07 μF，實驗中選用6.8 μF的測試電容來替代，采用電路分析軟件Tina進行頻率特性分析。從校正特性曲線可看出：加入了補償校正網絡后，幅值裕量從8.2 dB提高到28 dB，相位裕量從45°提高到72°，系統穩定性得到了提高。
5 驅動電源輸出及性能分析
    利用CA1022雙蹤數字示波器和FLUKE 8060A數字萬用表對高壓電源的輸出特性進行測試，分別測試其在空載和帶負載情況下的線性度和跟蹤性能，仍采用6.8 μF的測試電容。利用研華PCI1716型16位分辨率數據采集卡和相應的驅動軟件完成數據采集。對采集數據利用MATLAB進行了擬合，非線性誤差最大為0.021%，發生在172 V處，輸入與輸出之間具有良好的線性度。
    跟蹤實驗結果表明，空載時有效帶寬可達15 kHz，帶負載時只有約7 kHz；輸入信號最大值為5 V時，因供電電源具有一定的裕量，功率放大器輸出200 V無衰減；帶負載輸出紋波<20 mV。圖4所示為電源階躍響應曲線，校正后上升時間<0.8 ms，相比于校正前(>2 ms)電源具有更快的響應速度，因此具有了更好的動態性能。
    本文創新點是將DDS技術、FPGA與壓電高壓驅動電源三者結合起來，以宏微雙重并聯結構精密定位為研究背景，針對壓電驅動微動平臺開發了一種具有補償校正功能的快響應動態電源。FPGA和集成高壓運放的使用極大地提高了電源系統的集成度，對構建全數字壓電驅動高壓電源具有一定的指導意義。通過理論設計、仿真及實驗分析，得出驅動電源驅動6.8 &mu;F的容性負載時，具有<0.8 ms的階躍響應上升時間，帶負載有效帶寬可達7 kHz，滿量程輸出無衰減，輸出紋波<20 mV。通過補償校正提高了電源系統的穩定裕量，滿足了微動系統的驅動要求。

參考文獻
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