一维压电陶瓷微动台的系统设计

陈玉芳，杨庆林

（1.河北工程技术高等专科学校，河北沧州 061001；2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100083）

一维压电陶瓷微动台的系统设计

陈玉芳1，杨庆林2

（1.河北工程技术高等专科学校，河北沧州 061001；2.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100083）

本文介绍了基于压电陶瓷驱动器的一维压电陶瓷微动台，选取了一款合适的压电陶瓷驱动器，并按其特性及微动平台设计要求设计了驱动电源。其中驱动电源包括显示部分、键盘部分、数字部分和模拟部分，实现了手动控制和单片机控制输出电压。对于模拟部分中采用的AD574进行详细的研究，并且给出AD574与一维压电陶瓷微动台的控制单片机的接口的程序。

微动台；压电陶瓷；AD574

微位移系统一般由微动工作台、检测装置和控制系统三部分组成。微动工作台（或称为微位移机构）是指行程小（一般小于毫米级）、灵敏度和精度高（0.1微米级、0.01微米级、纳米级）的机构，它是微位移系统的核心。微动工作台主要由微位移器和导轨两部分构成。根据导轨形式和驱动方式的不同，可以把微动工作台分成不同的类别。微位移器根据工作原理可以分为六大类，概括为：机械传动、弹性变形、受热变形、磁致伸缩、电磁型、压电陶瓷。压电陶瓷驱动的微位移机构是利用某些晶体的逆压电效应来工作的。它的特点是结构紧凑，体积很小，无机械摩擦，无间隙，具有很高的位移分辨率。使用压电或电致伸缩器件驱动，由于机电耦合效应进行的速度很快，来不及与外界热交换，因此不存在发热问题，同时没有噪声，适用于各种介质环境工作，是一种理想的微位移器［1］。

1 系统总体设计

基于压电陶瓷驱动器的一维压电陶瓷微动台，所选压电陶瓷驱动器工作电压定为50～150 V，单片机控制时最小阶梯电压为0.3 V，手动可连续调节。压电陶瓷驱动器的驱动电源是直流高压电源，其位移精度与响应频率主要取决于电源的动态性能。近年来国内对静态压电驱动电源的研制取得一定的进展，静态驱动电源的分辨率达到毫伏级，动态电源的研制也逐渐成为当今研究热点。在实际电路中，驱动器件近似看作容性负载，其响应频率与其等效电容值的大小有关。高机械性能的压电驱动器（输出位移和推力大）的电容值往往很大（微法级），这对驱动电源的动态性能和电源的稳定性都提出了较高的要求［1］。驱动电源可以采用电压放大电路，低压控制端采用手动旋钮控制（可连续输出）和单片机控制D／A转换器输出控制低电压两种控制方式。由手动控制到单片机控制的转换采用模拟开关，可以用单片机的I／O口线控制，方便可靠［2］。手动控制时采用A／D转换器采集输出电压，由于输出为高压，必须进行分压。放大电路采用中功率三极管单管共射放大电路。基极为低压控制端，集电极输出控制高压。高压直流电源直接由220 V交流电经整流滤波得到。设计驱动电源总体方案如图1所示。

图1 压电陶瓷驱动器驱动电源总体方案

系统主程序用于检测系统是否正常，设置系统的初始状态及等待键盘的命令。如图2所示程序框图。

A／D转换器子程序包括设定控制A／D转换器地址，设定采集总数，进行中位滤波，采集电压预处理，采集电压值转换为位移显示值（其中含有十六进制转十进制）和调用显示子程序等部分组成。如图3所示。

由于A／D转换器采集电压值有微小随机性，可采用中位滤波法尽量减小误差。所谓中位滤波，就是把所采集值按从大到小（或从小到大）排序，然后取中间值。

A／D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，以便于计算机进行处理。根据它的原理可将其分成两大类。一类是直接型A／D转换器，另一类是间接型A／D转换器。尽管A／D转换器的种类很多，但目前应用广泛的主要有以下几种类型：逐次比较式转换器、双积分式转换器、Σ－△式转换器和V／F转换器［3］。逐次比较型A／D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的的A／D转换器。双积分A／D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢，近年来在单片机应用领域中也得到广泛应用。Σ－△式转换器具有积分式和逐次比较式A／D转换器的双重优点。而V／F转换器适用与转换速度要求不太高，须进行远距离信号传输的A／D转换过程。AD574是12位逐次比较型转换器。转换时间为25μs，转换精度为0.05%，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。AD574的电源电压要有较好的稳定性和较小的噪声，噪声大的电源会产生不稳定的输出代码。在设计时，所有电源引脚都要用去耦电容。对＋5 V电源，去耦电容直接接在引脚1和15之间；并且引脚VCC和VEE要通过电容耦合到引脚9，合适的去耦电容是1个4.7μF的钽电容再并联1个0.1μF的陶瓷电容。

A／D转换的工作程序如下：

2 微动台机械设计

微动台采用一维矩形导轨槽，滑块，角锥棱镜座及压盖，预紧弹簧，立柱，微动台侧盖及上盖等几部分。值得注意的是一端侧盖应该加一个预紧用螺栓，可以调节预紧力大小。

用于细调的一维压电陶瓷微动平台组装简要示意图如图4所示。

3 结论

设计得到的基于压电陶瓷驱动器的一维压电陶瓷微动台驱动电源性能较好，该电源可以实现的功能：输出稳定的直流电压50～150 V，对应显示00.00～17.00μm。有手动旋钮控制和键盘控制两种工作方式。其中手动旋钮控制是利用电位器给出控制用的低压信号，输出无阶梯变化，具有连续可调性的优点。键盘控制分为送数控制和步进控制两种方式，送数控制可以输入想得到00.00～17.00μm之间的位移值，最小输入间隔为0.05μm，例如，可以输入00.05，00.10，00.15，00.20，00.25，……，16.90，19.95，17.00。步进控制是由步进键控制，每次步进0.1μm，即显示每次增加0.10，输出电压每次增加0.6 V。长时间监测输出电压，其波动小于±0.1 V。与压电陶瓷驱动器相连后，在开机时达到50 V的零点电压稍有延迟，之后与不加压电陶瓷驱动器时基本相同，说明电源驱动能力较强，满足设计要求。受市电的波动影响，有时零点电压稍高于或稍低于50 V，通过监测，发现与此同时150 V处出现相同变化，又因为压电陶瓷驱动器在这一范围内为线性较好的一段，故此种情况并不影响位移驱动。

［1］ 李庆祥，王东生，李玉和.现代精密仪器设计［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］ 尹德芹，颜国正，颜德田，等.压电陶瓷动态应用的新型驱动电源研究［J］.压电与声光，2004，4（2）：87－89.

［3］ 张毅刚，彭喜源，董继成.单片机原理及应用［M］.北京：高等教育出版社，2004：279－281.

［4］ 强锡富.传感器［M］.北京：机械工业出版社，2003：196－199，152－158.

System Design of One－dimensional Piezoelectric Ceramics Micro Machine

CHEN Yu－fang1，YANG Qing－lin2
（1.Hebei Engineering and Technical College，061001，Cangzhou，Hebei，China；2.Beijing Patent Examination Coorperation Center，The State Intellectual Property Office，100083，Beijing，China）

This paper introduces the one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine based on piezoelectric ceramics drive micro units，chooses a suitable piezoelectric ceramics actuator，and designs the driving power according to its characteristics and micro platform.The driving power includes display，keyboard，digital and analog part，which realizes the manual control and single chip microcomputer control output voltage.For analog part，the detailed study of AD574 is adopted.And the interface program of AD574 and control microcomputer of one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine is given.

micro machine；piezoelectric ceramics；AD574

姜久超）

TP273.5

A

1008－3782（2014）01－0030－03

2013－12－27

陈玉芳（1967－），女，河北泊头人，河北工程技术高等专科学校实验师。