技術詳解:壓電陶瓷驅動電源設計方案
發布時間:2015-04-09 責任編輯:sherry
【導讀】眾(zhong)所(suo)周(zhou)知(zhi),壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)已(yi)成(cheng)為(wei)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)應(ying)用(yong)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi),它(ta)除(chu)了(le)體(ti)積(ji)小(xiao),分(fen)辨(bian)率(lv)高(gao),響(xiang)應(ying)快(kuai),推(tui)力(li)大(da)等(deng)一(yi)係(xi)列(lie)特(te)點(dian),同(tong)時(shi),用(yong)它(ta)製(zhi)成(cheng)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)驅(qu)動(dong)器(qi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)微(wei)位(wei)移(yi)輸(shu)出(chu)裝(zhuang)置(zhi)、力發生裝置、機器人、衝擊電機、光學掃描等重要領域。
muqian,guoneichangjiandeyadiantaociqijianzhuyaojiyujingtaitexing,yincigaileiyadiantaociqudongdianyuandongtaitexingbulixiang,jiaoliufuzainenglicha,bushiheyingyongyudongtailingyu。liru,yadiantaociguanchongjimada,shijiyuchongjiyuanli,liyongjuchiboqudongyadiantaociguan,shideyadianmadachanshengzhengfandexuanzhuan,pinxiangfanweikuanjijuyouhengaoshangshenghexiajiangsulvshigaileiyadiantaociqudongdianyuanbixumanzudezhongyaodongtaitexing。danxianzaiguoneiduicizhongqudongdianyuandeyanjiubuduo,qiejiageanggui,yinciyoubiyaoshejiyizhongmanzushangshuyaoqiuqiejiagediliandeyadiantaociqudongdianyuan。
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(heng)流(liu)源(yuan)及(ji)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)三(san)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)。功(gong)率(lv)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)部(bu)分(fen)將(jiang)鋸(ju)齒(chi)波(bo)信(xin)號(hao)放(fang)大(da),以(yi)此(ci)驅(qu)動(dong)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)管(guan)。為(wei)了(le)得(de)到(dao)快(kuai)速(su)的(de)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)速(su)率(lv),使(shi)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)管(guan)形(xing)成(cheng)衝(chong)擊(ji),則(ze)需(xu)使(shi)用(yong)恒(heng)流(liu)源(yuan)幫(bang)助(zhu)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)快(kuai)速(su)泄(xie)放(fang)電(dian)荷(he)。
⑴高壓直流電源
高壓直流電源部分如圖1所示,工頻220V交流電經變壓器輸出雙130V交流,經整流橋整流和電容濾波後,得到180V直流電,作為驅動電路的工作電壓。

⑵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,完全能滿足要求。當A點的輸入電壓為VA時,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,所以流經場效應管的電流恒為I=VA/R3,此時VGS≥3.5V,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=50mA,即電壓VA=7.5V,cihengliuyuandianludemudezhuyaoshibangzhurongxingfuzaiyadiantaocixiefangdianhe,shiqudongyadiantaociguandejuchibojuyoukuaisudexiajiangsulv,dangyugonglvfangdadianlulianjieshi,jianghengliuyuanchangxiaoyingguandeloujiyutu3功率放大電路的D點連接在一起。

⑶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過DC/DC轉換模塊後,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域內時,若輸入信號Uin的電壓範圍為-10~0V,則與F點的電壓相等,在通道DF上產生電流,R6與R7為分壓電阻,R6與R7的比例決定了放大電壓的倍數,則驅動壓電陶瓷的電壓Uout= (Uin/R6)(R6+R7)。由於電流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。
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2、設計結果
該設計的輸入信號幅值範圍為-10~0V,輸出範圍為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的頻率範圍內,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與頻率的關係如圖4所示。可以看出,在60kHz以後,波形已經嚴重失真,所以應避免在高於60kHz的情況下使用高壓電源驅動器。

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,且上升速率高於下降速率。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,這相對於其他動態壓電陶瓷驅動電源具有明顯的優勢,該參數已能夠滿足壓電陶瓷管衝擊電機定子形成扭轉所需要的條件。

rucikanlai,zhezhonggaosuyadiantaociqudongdianyuanzaidongtaixingnengshangjiaoqitadianluyoumingxianyoushi,tadegongzuopinlvgao,dianyagensuixinghao,jiegoujiandan,jiagedilian,bingqieduiyixiexuyaoliyongchongjiyuanlideyadiantaociqijiankeyitigonghenhaodequdongxiaoguo。
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