高速壓電陶瓷驅動電源

　　0 引 言

　　壓電陶瓷具有體積小，分辨率高，響應快，推力大等一系列特點。用它制成的壓電陶瓷驅動器廣泛應用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、機器人、沖擊電機、光學掃描等領域。因此壓電陶瓷的驅動電源技術已成為非常重要的研究熱點。

　　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動電源動態(tài)特性不理想，交流負載能力差，不適合應用于動態(tài)領域。例如，壓電陶瓷管沖擊馬達，是基于沖擊原理，利用鋸齒波驅動壓電陶瓷管，使得壓電馬達產(chǎn)生正反的旋轉，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)對此種驅動電源的研究不多，且價格昂貴，因此有必要設計一種滿足上述要求且價格低廉的壓電陶瓷驅動電源。

　　1 高壓驅動電源原理及電路設計

　　該高壓驅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。

　　1．1 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，作為驅動電路的工作電壓。

　　1．2 恒流源電路

　　恒流源電路如圖2所示，本設計電路的運放選擇OP467，其上升速率可達到170 V／μs，且具有極寬的響應頻率，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)場效應管的電流恒為I=VA／R3，此時VGS≥3．5 V，場效應管導通。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=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載壓電陶瓷泄放電荷，使驅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，將恒流源場效應管的漏極與圖3功率放大電路的D點連接在一起。

　　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管IRF840，它具有電流負載能力大，開關速度快(納秒級)的特點，因此適合驅動容性負載。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轉換模塊后，將功率放大電路的運放參考點與地分開。

　　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-10～0 V，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動壓電陶瓷。

　　2 設計結果

　　該設計的輸入信號幅值范圍為-10～0 V，輸出范圍為0～350 V，泄放電流為50 mA。實驗測試時，以容性負載230×(1±0．1)pF為標準，在100 Hz～100 kHz的頻率范圍內(nèi)，當以VPP=6 V偏置為-3 V的方波信號輸入時，測得其不同的放大倍數(shù)與頻率的關系如圖4所示?？梢钥闯觯?0 kHz以后，波形已經(jīng)嚴重失真，所以應避免在高于60 kHz的情況下使用高壓電源驅動器。

　　在不加負載，而以VPP=6 V，偏置為-3 V，f=50 kHz的方波輸入時，電源輸出結果如圖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)可計算出下降速率約為48 V／μs，上升速率約為80 V／μs，這相對于其他動態(tài)壓電陶瓷驅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所需要的條件。

　　3 結 語

　　設計的高速壓電陶瓷驅動電源具有工作頻率高，電壓跟隨性好，結構簡單，價格低廉等特點，在動態(tài)性能上較其他電路有明顯優(yōu)勢，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動效果。