高速壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源

0 引 言

壓電陶瓷具有體積小，分辨率高，響應(yīng)快，推力大等一系列特點(diǎn)。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)掃描等領(lǐng)域。因此壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為非常重要的研究熱點(diǎn)。

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壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源必須滿足的重要?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。

1．1 高壓直流電源

高壓直流電源部分如圖1所示，工頻220 V交流電經(jīng)變壓器輸出雙130 V交流，經(jīng)整流橋整流和電容濾波后，得到180 V直流電，作為驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。

1．2 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170 V／μs，且具有極寬的響應(yīng)頻率，完全能滿足要求。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≥3．5 V，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=50 mA，即電壓VA=7．5 V，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。

1．3 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)。

當(dāng)電路工作在線性區(qū)域內(nèi)時(shí)，若輸入信號(hào)Uin的電壓范圍為-10～0 V，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。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

該設(shè)計(jì)的輸入信號(hào)幅值范圍為-10～0 V，輸出范圍為0～350 V，泄放電流為50 mA。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100 Hz～100 kHz的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)以VPP=6 V偏置為-3 V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?，在60 kHz以后，波形已經(jīng)嚴(yán)重失真，所以應(yīng)避免在高于60 kHz的情況下使用高壓電源驅(qū)動(dòng)器。

在不加負(fù)載，而以VPP=6 V，偏置為-3 V，f=50 kHz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240 V，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48 V／μs，上升速率約為80 V／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)已能夠滿足壓電陶瓷管沖擊電機(jī)定子形成扭轉(zhuǎn)所需要的條件。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的高速壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有工作頻率高，電壓跟隨性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)性能上較其他電路有明顯優(yōu)勢(shì)，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。