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技術(shù)詳解:壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時(shí)間:2015-04-09 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】眾所周知,壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為非常重要應(yīng)用技術(shù)之一,它除了體積小,分辨率高,響應(yīng)快,推力大等一系列特點(diǎn),同時(shí),用它制成的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、機(jī)器人、沖擊電機(jī)、光學(xué)掃描等重要領(lǐng)域。
 
目前,國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的壓電陶瓷器件主要基于靜態(tài)特性,因此該類(lèi)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源動(dòng)態(tài)特性不理想,交流負(fù)載能力差,不適合應(yīng)用于動(dòng)態(tài)領(lǐng)域。例如,壓電陶瓷管沖擊馬達(dá),是基于沖擊原理,利用鋸齒波驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管,使得壓電馬達(dá)產(chǎn)生正反的旋轉(zhuǎn),頻響范圍寬及具有很高上升和下降速率是該類(lèi)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源必須滿(mǎn)足的重要?jiǎng)討B(tài)特性。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)此種驅(qū)動(dòng)電源的研究不多,且價(jià)格昂貴,因此有必要設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足上述要求且價(jià)格低廉的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
 
1、高壓驅(qū)動(dòng)電源原理及電路設(shè)計(jì)
 
該高壓驅(qū)動(dòng)電源主要由高壓直流電源、恒流源及功率放大電路三部分組成。功率放大電路部分將鋸齒波信號(hào)放大,以此驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管。為了得到快速的電壓下降速率,使壓電陶瓷管形成沖擊,則需使用恒流源幫助容性負(fù)載的壓電陶瓷快速泄放電荷。
 
⑴高壓直流電源
 
高壓直流電源部分如圖1所示,工頻220V交流電經(jīng)變壓器輸出雙130V交流,經(jīng)整流橋整流和電容濾波后,得到180V直流電,作為驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。
高壓直流電源
⑵恒流源電路
 
恒流源電路如圖2所示,本設(shè)計(jì)電路的運(yùn)放選擇OP467,其上升速率可達(dá)到170V/μs,且具有極寬的響應(yīng)頻率,完全能滿(mǎn)足要求。當(dāng)A點(diǎn)的輸入電壓為VA時(shí),根據(jù)虛短原則,VA=VB,放大器同向輸入端與反向輸入端的輸入電流均為0,則VB=VC,所以流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管的電流恒為I=VA/R3,此時(shí)VGS≥3.5V,場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。假若輸入電壓VA有電壓波動(dòng)+△V,放大器的差模增益接近無(wú)窮大,所以VG增大,VGS增大,流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管的電流增大,則VC增加;又因VB=VC,故VB也增大,且最終與VA相等,保證恒流源正常工作,反之當(dāng)△V為負(fù)時(shí),同理。此恒流源電路的電流I=50mA,即電壓VA=7.5V,此恒流源電路的目的主要是幫助容性負(fù)載壓電陶瓷泄放電荷,使驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷管的鋸齒波具有快速的下降速率,當(dāng)與功率放大電路連接時(shí),將恒流源場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與圖3功率放大電路的D點(diǎn)連接在一起。
高壓直流電源
⑶功率放大電路
 
功率放大電路如圖3所示,該部分電路的運(yùn)放也選擇OP467,這樣可以保證兩部分電路在速度上匹配。功率放大級(jí)選用場(chǎng)效應(yīng)管IRF840,它具有電流負(fù)載能力大,開(kāi)關(guān)速度快(納秒級(jí))的特點(diǎn),因此適合驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。此功率放大電路中含有一個(gè)懸浮地(即圖3中的點(diǎn)D),恒流源電路運(yùn)放的供電電壓經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換模塊后,將功率放大電路的運(yùn)放參考點(diǎn)與地分開(kāi)。
功率放大電路
當(dāng)電路工作在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)時(shí),若輸入信號(hào)Uin的電壓范圍為-10~0V,則與F點(diǎn)的電壓相等,在通道DF上產(chǎn)生電流,R6與R7為分壓電阻,R6與R7的比例決定了放大電壓的倍數(shù),則驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的電壓Uout= (Uin/R6)(R6+R7)。由于電流I恒定不變,故R6與R7阻值不能過(guò)小,以保證其具有足夠的電流負(fù)載能力來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
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2、設(shè)計(jì)結(jié)果
 
該設(shè)計(jì)的輸入信號(hào)幅值范圍為-10~0V,輸出范圍為0~350V,泄放電流為50mA。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),以容性負(fù)載230×(1±0.1)pF為標(biāo)準(zhǔn),在100Hz~100kHz的頻率范圍內(nèi),當(dāng)以VPP=6V偏置為-3V的方波信號(hào)輸入時(shí),測(cè)得其不同的放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系如圖4所示??梢钥闯觯?0kHz以后,波形已經(jīng)嚴(yán)重失真,所以應(yīng)避免在高于60kHz的情況下使用高壓電源驅(qū)動(dòng)器。
設(shè)計(jì)結(jié)果
在不加負(fù)載,而以VPP=6V,偏置為-3V,f=50kHz的方波輸入時(shí),電源輸出結(jié)果如圖5所示。圖5中,輸出方波為示波器衰減10倍的波形。由此可知,輸出的方波峰峰值為240V,且上升速率高于下降速率。由圖5所示數(shù)據(jù)可計(jì)算出下降速率約為48V/μs,上升速率約為80V/μs,這相對(duì)于其他動(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有明顯的優(yōu)勢(shì),該參數(shù)已能夠滿(mǎn)足壓電陶瓷管沖擊電機(jī)定子形成扭轉(zhuǎn)所需要的條件。
設(shè)計(jì)結(jié)果
如此看來(lái),這種高速壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源在動(dòng)態(tài)性能上較其他電路有明顯優(yōu)勢(shì),它的工作頻率高,電壓跟隨性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,并且對(duì)一些需要利用沖擊原理的壓電陶瓷器件可以提供很好的驅(qū)動(dòng)效果。
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