解析高速壓電陶瓷驅(qū)動電源的性能優(yōu)勢

　　眾所周知，壓電陶瓷的驅(qū)動電源技術(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，同時，用它制成的壓電陶瓷驅(qū)動器廣泛應(yīng)用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、機器人、沖擊電機、光學(xué)掃描等重要領(lǐng)域。目前，國內(nèi)常見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)動電源動態(tài)特性不理想，交流負載能力差，不適合應(yīng)用于動態(tài)領(lǐng)域。例如，壓電陶瓷管沖擊馬達，是基于沖擊原理，利用鋸齒波驅(qū)動壓電陶瓷管，使得壓電馬達產(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)動電源必須滿足的重要動態(tài)特性。但現(xiàn)在國內(nèi)對此種驅(qū)動電源的研究不多，且價格昂貴，因此有必要設(shè)計一種滿足上述要求且價格低廉的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

　　1、高壓驅(qū)動電源原理及電路設(shè)計

　　該高壓驅(qū)動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放大，以此驅(qū)動壓電陶瓷管。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載的壓電陶瓷快速泄放電荷。

　　（1）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)動電路的工作電壓。

圖1 高壓直流電源

　　（2）恒流源電路

　　恒流源電路如圖2所示，本設(shè)計電路的運放選擇OP467，其上升速率可達到170V/μs，且具有極寬的響應(yīng)頻率，完全能滿足要求。當A點的輸入電壓為VA時，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)場效應(yīng)管的電流恒為I=VA/R3，此時VGS≥3.5V，場效應(yīng)管導(dǎo)通。假若輸入電壓VA有電壓波動+△V，放大器的差模增益接近無窮大，所以VG增大，VGS增大，流經(jīng)場效應(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△V為負時，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載壓電陶瓷泄放電荷，使驅(qū)動壓電陶瓷管的鋸齒波具有快速的下降速率，當與功率放大電路連接時，將恒流源場效應(yīng)管的漏極與圖3功率放大電路的D點連接在一起。

圖2 恒流源電路圖

　　（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。功率放大級選用場效應(yīng)管IRF840，它具有電流負載能力大，開關(guān)速度快（納秒級）的特點，因此適合驅(qū)動容性負載。此功率放大電路中含有一個懸浮地（即圖3中的點D），恒流源電路運放的供電電壓經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換模塊后，將功率放大電路的運放參考點與地分開。

圖3 功率放大電路

　　當電路工作在線性區(qū)域內(nèi)時，若輸入信號Uin的電壓范圍為-10～0V，則與F點的電壓相等，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阻值不能過小，以保證其具有足夠的電流負載能力來驅(qū)動壓電陶瓷。

　　2、設(shè)計結(jié)果

　　該設(shè)計的輸入信號幅值范圍為-10～0V，輸出范圍為0～350V，泄放電流為50mA。實驗測試時，以容性負載230×（1±0.1）pF為標準，在100Hz～100kHz的頻率范圍內(nèi)，當以VPP=6V偏置為-3V的方波信號輸入時，測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60kHz以后，波形已經(jīng)嚴重失真，所以應(yīng)避免在高于60kHz的情況下使用高壓電源驅(qū)動器。

圖4 頻率與放大倍數(shù)的關(guān)系

　　在不加負載，而以VPP=6V，偏置為-3V，f=50kHz的方波輸入時，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)可計算出下降速率約為48V/μs，上升速率約為80V/μs，這相對于其他動態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源具有明顯的優(yōu)勢，該參數(shù)已能夠滿足壓電陶瓷管沖擊電機定子形成扭轉(zhuǎn)所需要的條件。

圖5 高燕電源輸出方波圖

　　如此看來，這種高速壓電陶瓷驅(qū)動電源在動態(tài)性能上較其他電路有明顯優(yōu)勢，它的工作頻率高，電壓跟隨性好，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，并且對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)動效果。