一种新型压电陶瓷驱动电源的设计.docxVIP

一种新型压电陶瓷驱动电源的设计 目前，我国的压瓷器主要限于静态特性，因此驱动器的研究主要集中在静态应用上。该类电源的动态特性不理想,交流负载能力差,不适合应用在如压电驱动微注射针轴、微动机器人和扫描探针驱动装置等领域。因此,我们设计了一种高速压电陶瓷驱动电源。 1 改良型驱动电源电路 常见的压电陶瓷驱动电源在形式上具有多样性,但设计原理多以直流放大式驱动电路为核心(见图1)。因运算放大器对误差进行了放大,当输入电压Vi变化时,误差放大器的输出会产生较大幅度的波动,这将导致高压放大器的输出电压Vo产生较大幅度的波动。为使PZT上的电压波动幅度小,高压放大器的输出电阻不能太小;PZT是容性器件,因此这类设计到达稳定状态的过度时间较长。 针对直流放大式电路的局限性,一种改良型驱动电源被设计出来,如图2所示。此电路分为电压放大级和功率放大级。电压放大级将输入信号线性放大,放大倍数为(1+R3/R4)倍,其中R3、R4、R5、T2、T3组成反馈比较回路,T2、T3是两只参数相同的PNP管。功率放大级采用VMOS管组成推挽式功放,有效地提高了驱动能力。该驱动电源的整体响应时间达几十微秒。但由于采用反馈结构,增加了电路的容性成分,限制了其对动态信号的响应频率。当频率提高时,Vo会出现饱和失真,如图3所示。这在快速动作的条件下是不利的,因为输入控制电压Vi与Vo严重偏离初始的线性关系将影响动作装置的步进精度。 从三极管的特性曲线可发现,恒温状态下,在额定的放大区域内三极管放大倍数β并不恒定,如果工作电压的变化范围过大,那么由β变化而引起的误差经放大必然会降低驱动电源的精度。因此,我们从转移和压缩控制电压范围,寻求器件最佳线性区的角度出发,简化和避免反馈电路和容性结构,设计了一种高速驱动电源电路。 2 按元件参数设计出液管至液压色度,如 图4为高速驱动电源。图中,R1、R2、R3、A组成加法运算电路,Vr为基准电压,电压V为 V=-(ViR3R1+VrR3R2)(1)V=?(ViR3R1+VrR3R2)(1) 若Vi的变化区域为a～b,则V的变化区域为-(bR3R1+VrR3R2)~-(aR3R1+VrR3R2)?(bR3R1+VrR3R2)~?(aR3R1+VrR3R2)。精密电阻R4、R5组成压缩电路结构,使得V′的变化区域缩小为a′～b′,压缩比例R′5(R4+R′5),其中R′5=R5//rbe,即 V′=VR′5R4+R′5(2) 上述各元件的参数需根据T1、T2的最佳线性放大区域a′～b′设定。R6、R7、R8、T1、T2组成双极型差放电路,利用对称性抑制共模信号,进而抑制电路的零点漂移,提高电路的抗扰性和稳定性。另外,对于双极型差放电路,其输入电压V′有阀值Vth1、Vth2,当|V′|≤Vth1时,差放线性工作;当|V′|Vth2时,差放非线性工作;Vth1、Vth2由所选三极管型号参数确定。R9、R10、V1、V2组成互挽式功放电路,VMOS管输出阻抗小,电流负载能力大,开关速度快,适于驱动容性负载;同时其输入阻抗大于40 MΩ,对上级电压放大电路不会有影响,但由于本身存在输出寄生电容,为了防止寄生震荡对上级电路产生影响,各栅极应分别串联一个约100 Ω的小电阻。 3 高速驱动电源性能 为了测试驱动电源的性能,我们对其在各种激励下的响应进行了测试。实验采用中国电子科技集团第26研究所制造的叠层压电陶瓷 0503012,其最大驱动电压100 V,电容340 pF±10%。实验采用0～4 V的三角波作输入控制电压Vi,Vr为-10.8 V;R1为5 kΩ,R2、R3均为1 kΩ,R6、R7均为50 kΩ可调变阻器,R8为200 kΩ;A为高速运放OPA111;精密电阻R4为900 Ω,R5为100 Ω;三极管T1、T2型号为MPSL01,耐压120 V,直流电压VC输入150 V。实验中根据T1、T2的数据资料,选取线性放大区域1.00～1.10 V。根据式(1)、(2)可知,当控制电压Vi的变化范围为0～4 V时,V′ 的变化范围在1.00～1.10 V。 图5为驱动电源的阶跃响应,高速驱动电源的响应时间接近1.5 μs,超调量几乎为零,这与其他驱动电源相比有明显优势。 为了进一步测试其动态性能,我们做了如下实验:输入不同频率的三角波,分别测量Vi与Vo,如图6所示。 与图3相比,高速驱动电源在输入频率为200 kHz时,Vi、Vo仍保持线性放大关系,且Vi与Vo满足: Vo=VoAViAVi(3) 式中VoA为Vo的峰-峰值;ViA为Vi的峰-峰值。 当Vi的频率为500 kHz时,如图6(b)所示。驱动电路的Vo开始有明显的滞后现象,输出峰峰值出现衰减,但并没有出现饱和失真,因此,可利用计算机软件精密测量Vo的时间滞后量Δ