基于FPGA和DDS的压电陶瓷驱动器驱动电源设计

摘 要： 针对压电驱动微动平台开发了一种快响应动态电源。以FPGA内建DDS作为驱动电源控制器及信号发生器，基于集成高压运放设计了带补偿校正网络的桥式功率放大器，并进行了理论分析、仿真与实验研究。测试结果表明，该设计满足了精密定位系统稳定性、快速性及高精密的驱动要求。
关键词： FPGA；DDS；压电陶瓷；桥式驱动电源；补偿校正

随着精密工程和微细工程的迅速发展，亚微米和纳米级定位技术已成为微机电系统、微电子和生物工程等前沿领域的关键技术[1]。精密定位系统主要包括机械部件和驱动控制系统两部分。压电陶瓷以其纳米级位移精度、体积小、高频响、承载力大、无噪声等特点，成为微定位系统中的理想驱动器，并获得了广泛应用。而从某种意义上讲，选定压电陶瓷驱动器后，运动机构的分辨率及运动精度则取决于压电驱动电源的性能[2]。在要求精密定位和系统的快速动态响应的应用场合，驱动电源需要利用各种动态波形作为输入信号。一般可采用信号发生器作为信号源，或者利用PC机存储波形，通过串口或并口下载到下位机从而产生波形，但因体积、成本及接口传输速度的局限使应用受到限制[3]。近年发展起来的直接数字频率合成技术(DDS)以其频率分辨率高、响应快、稳定性好等优点，成为改进传统压电驱动电源的优先选项[4]。本文以宏微双重并联结构的精密定位为研究背景，在对行业背景、应用领域及国内外研究现状充分调研的基础上，针对微动平台开发了一种能满足压电驱动器快速响应的动态电源。
1 压电陶瓷驱动电源的总体设计
压电陶瓷驱动器可等效为一个容性负载，其驱动电源可分为电压控制型和电荷控制型。电压控制型压电陶瓷驱动器存在动态性能差的问题；电荷控制型压电陶瓷驱动器则存在在静态下易充电饱和、难以获得稳定输出的问题[5]。电荷型驱动电源设计较为复杂，充电电流及充电时间较难掌控且压电驱动器存在漏电流现象，因此基于电压控制的驱动电源得到了广泛的应用。借助非线性补偿和校正等措施，使得电压控制型驱动电源能够满足系统定位精确性和快速性的要求。
普通压电驱动电源的动态响应时间均比压电执行器的响应时间长，从而制约了压电执行器在实时、复杂控制情况下的应用[6]。新型运算放大器的发展及动态性能的提高，要求输入信号能够提供足够的频率和带宽。DDS作为第三代频率合成技术，具有带宽相对较宽、频率转换时间极短、频率分辨率很高等优点，以全数字方式实现频率合成，在信号发生领域渐已成为主流[7]。
此外，因传统的实现方法电路繁多，为了更好地满足DDS技术的应用需要(如调频、调幅等)，本设计采用FPGA实现DDS，通过数字方法可直接实现压电驱动器的输入波形[8]。在此基础上，结合Apex Microtechnology公司的线性高压运算放大器PA78构建桥式功率放大电路，采用补偿和校正使电源的动态性能和稳态性能满足系统要求。驱动电源系统组成如图1所示。

2 DDS在FPGA内部的实现
DDS工作的基本原理是将2?仔弧度做N位量化，以系统时钟为参考频率对信号相位进行采样。N位频率控制字在每个时钟周期内与相位累加器中的相位进行一次累加，将累加结果的高位段作为地址去寻址相位查找表，将相位信息转化为相应的数字量化幅度字。查找表输出的量化波形序列经过数/模转换器(DAC)变为阶梯模拟信号，最后通过模拟低通滤波器平滑后得到一个频谱很纯的动态波形，作为高压功率放大器的输入信号。
FPGA以Actel公司的Fusion M1AFS600为核心，内嵌Cortex-M1软核构建可编程片上系统(SoPC)。在FPGA内部实现的DDS采用32 bit频率控制字，为了实现动态波形，DDS查找表采用FPGA内部RAM的形式。通过改变SoPC中RAM里面的数据，即可实现各种动态波形。每个查找表的大小为2 048×10 bit，M1AFS600提供多达256×32 Kbit的SRAM和16×32 Mbit的Flash，完全满足数十千字节波形数据库的储存和动态数据的更新。
动态信号的可调频率是通过相位累加器与相位寄存器的累加完成的。软件设计采用Actel公司推出的集成开发环境Libero 8.5，从设计定义到下载测试的整个阶段都通过流程图的方式进行。采用VerilogHDL语言进行模块开发。以下给出的是一个累加器的VerilogHDL参考程序：
module acc(iclk,ik,osum);//模块声明，参数指定
input clk; //输入时钟
input[31:0] ik;//声明32 bit的频率控制字
output reg [31:0]osum; //声明osum为寄存器型变
//量，32 bit
always@(posedge iclk)//总是在iclk的上升沿触发
osum=ik+osum;//定义累加操作
endmodule;
3 DDS输出信号滤波
由于在波形产生的过程中，存在相位截断误差和幅值量化误差以及D/A转换器的各种非线性误差，DDS数字部分不可避免地存在杂散成分。另外，受到时钟泄漏和时钟相位噪声的影响，动态波形中会含有谐波分量。因此，需要设计低通滤波器滤除DDS输出信号中的杂散成分和高频杂波。
以插入衰减理论为基础的滤波器设计方法采用有理函数对理想衰减特性进行逼近，常见的有Butterworth滤波器、Bessel滤波器和椭圆滤波器。但通常阶数过高，在滤波器前、后级阻抗匹配及特性的设定问题上没有选择的自由度[9]。本文设计了基于集成运放的三阶压控有源低通滤波器，滤波器包含3个低阶RC滤波网络。其输入阻抗高、输出阻抗低，且输入/输出具有良好的隔离，三阶压控有源低通滤波器电路如图2所示。

利用EDA软件Multisim 7对电路进行仿真研究。从滤波器频率特性上-3 dB带宽可以看出，40 kHz以上的杂波能够被有效滤除。
4 功率放大电路设计
功率放大电路在整个电源系统中决定着电源输出电压的分辨率和稳定性。压电陶瓷采用中国电子科技集团第二十六所的WTYD0808065型压电驱动器，最大驱动电压为200 V。PA78是Apex Microtechnology公司生产的一种高电压、大带宽的MOSFET线性运算放大器，输出电流可达200 mA，压摆率高达350 V/μs，带宽达200 kHz，单端供电时输出电压最高可达300 V，满足了压电陶瓷的驱动要求[10]。
4.1 桥式高压放大电路
压电驱动器负载呈容性，可导致驱动系统相位滞后甚至产生振荡。针对此特性基于PA78设计了带补偿和校正的桥式放大电路，电路结构和参数的对称性可以有效提高电源的驱动能力，降低输出非线性的影响并降低二次谐波的失真。图3所示为单边复合放大电路原理图，由输入失调电压低的前置放大级、后置功率放大级及补偿校正网络组成。

控制信号范围为0～5 V，PZT承受最大电压为200 Vp-p，放大电路增益为40 dB。桥式电路结构对称，单边复合放大器的最大输出为100 Vp-p，增益为20 dB。
放大电路供电电源采用自行设计的基于电压串联的电源模块。将工频220 V电压经多抽头变压器输出，再经整流、滤波、稳压得到5路24 V的稳定直流，串联后给PA78正极供电。通过三端稳压器LM7915稳压后输出直流电压为-15 V，用来给PA78负极供电。利用快恢复二极管D1、D4，瞬态抑制器Z1、Z2可防止电压过高损坏运算放大器。采用单点接地[11]，可以提高电源的稳定性。
4.2 驱动电源的补偿与校正
压电驱动器的容性负载特性会导致驱动系统相位滞后，当电路增益一定，电路带空载或小负载时表现相对稳定。但是当驱动大容性负载时由于相移过大极易产生高端提升，甚至产生振荡，并且受噪声的影响特别严重[12]。为此，引入了补偿校正网络对驱动电源的频率特性进行修正，方法是在反馈电阻两端接入补偿电容。图3中反馈零点补偿网络①、②和噪声增益补偿网络③共同组成对电源系统的串联滞后－超前校正。超前环节具有正相移作用，增大了系统的幅值裕量和相角裕量，而滞后校正环节则利用幅值衰减特性来提高系统的稳态性能。两者结合使电源系统在确保稳定性的基础上充分提高了有效频响及负载能力。
选用无极CBO电容模拟压电陶瓷作为负载以验证电源的容性负载驱动能力。WTYD0808065型压电陶瓷的等效电容为6.07 μF，实验中选用6.8 μF的测试电容来替代，采用电路分析软件Tina进行频率特性分析。从校正特性曲线可看出：加入了补偿校正网络后，幅值裕量从8.2 dB提高到28 dB，相位裕量从45°提高到72°，系统稳定性得到了提高。
5 驱动电源输出及性能分析
利用CA1022双踪数字示波器和FLUKE 8060A数字万用表对高压电源的输出特性进行测试，分别测试其在空载和带负载情况下的线性度和跟踪性能，仍采用6.8 μF的测试电容。利用研华PCI1716型16位分辨率数据采集卡和相应的驱动软件完成数据采集。对采集数据利用MATLAB进行了拟合，非线性误差最大为0.021%，发生在172 V处，输入与输出之间具有良好的线性度。
跟踪实验结果表明，空载时有效带宽可达15 kHz，带负载时只有约7 kHz；输入信号最大值为5 V时，因供电电源具有一定的裕量，功率放大器输出200 V无衰减；带负载输出纹波<20 mV。图4所示为电源阶跃响应曲线，校正后上升时间<0.8 ms，相比于校正前(>2 ms)电源具有更快的响应速度，因此具有了更好的动态性能。
本文创新点是将DDS技术、FPGA与压电高压驱动电源三者结合起来，以宏微双重并联结构精密定位为研究背景，针对压电驱动微动平台开发了一种具有补偿校正功能的快响应动态电源。FPGA和集成高压运放的使用极大地提高了电源系统的集成度，对构建全数字压电驱动高压电源具有一定的指导意义。通过理论设计、仿真及实验分析，得出驱动电源驱动6.8 μF的容性负载时，具有<0.8 ms的阶跃响应上升时间，带负载有效带宽可达7 kHz，满量程输出无衰减，输出纹波<20 mV。通过补偿校正提高了电源系统的稳定裕量，满足了微动系统的驱动要求。

参考文献
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