解析高速壓電陶瓷驅動(dòng)電源的性能優(yōu)勢

　　眾所周知，壓電陶瓷的驅動(dòng)電源技術(shù)已成為非常重要應用技術(shù)之一，它除了體積小，分辨率高，響應快，推力大等一系列特點(diǎn)，同時(shí)，用它制成的壓電陶瓷驅動(dòng)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(xué)掃描等重要領(lǐng)域。目前，國內常見(jiàn)的壓電陶瓷器件主要基于靜態(tài)特性，因此該類(lèi)壓電陶瓷驅動(dòng)電源動(dòng)態(tài)特性不理想，交流負載能力差，不適合應用于動(dòng)態(tài)領(lǐng)域。例如，壓電陶瓷管沖擊馬達，是基于沖擊原理，利用鋸齒波驅動(dòng)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(lèi)壓電陶瓷驅動(dòng)電源必須滿(mǎn)足的重要動(dòng)態(tài)特性。但現在國內對此種驅動(dòng)電源的研究不多，且價(jià)格昂貴，因此有必要設計一種滿(mǎn)足上述要求且價(jià)格低廉的壓電陶瓷驅動(dòng)電源。

　　1、高壓驅動(dòng)電源原理及電路設計

　　該高壓驅動(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放大，以此驅動(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，作為驅動(dòng)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，且具有極寬的響應頻率，完全能滿(mǎn)足要求。當A點(diǎn)的輸入電壓為VA時(shí)，根據虛短原則，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)效應管的電流恒為I=VA/R3，此時(shí)VGS≥3.5V，場(chǎng)效應管導通。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(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載壓電陶瓷泄放電荷，使驅動(dòng)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(shí)，將恒流源場(chǎng)效應管的漏極與圖3功率放大電路的D點(diǎn)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(chǎng)效應管IRF840，它具有電流負載能力大，開(kāi)關(guān)速度快（納秒級）的特點(diǎn)，因此適合驅動(dòng)容性負載。此功率放大電路中含有一個(gè)懸浮地（即圖3中的點(diǎn)D），恒流源電路運放的供電電壓經(jīng)過(guò)DC/DC轉換模塊后，將功率放大電路的運放參考點(diǎn)與地分開(kāi)。

圖3 功率放大電路

　　當電路工作在線(xiàn)性區域內時(shí)，若輸入信號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，則驅動(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載能力來(lái)驅動(dòng)壓電陶瓷。

　　2、設計結果

　　該設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(shí)驗測試時(shí)，以容性負載230×（1±0.1）pF為標準，在100Hz～100kHz的頻率范圍內，當以VPP=6V偏置為-3V的方波信號輸入時(shí)，測得其不同的放大倍數與頻率的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，在60kHz以后，波形已經(jīng)嚴重失真，所以應避免在高于60kHz的情況下使用高壓電源驅動(dòng)器。

圖4 頻率與放大倍數的關(guān)系

　　在不加負載，而以VPP=6V，偏置為-3V，f=50kHz的方波輸入時(shí)，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240V，且上升速率高于下降速率。由圖5所示數據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(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅動(dòng)電源具有明顯的優(yōu)勢，該參數已能夠滿(mǎn)足壓電陶瓷管沖擊電機定子形成扭轉所需要的條件。

圖5 高燕電源輸出方波圖

　　如此看來(lái)，這種高速壓電陶瓷驅動(dòng)電源在動(dòng)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，結構簡(jiǎn)單，價(jià)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動(dòng)效果。