王瑜瑜，劉少軍

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安 710089）

利用壓電陶瓷及其逆壓電效應(yīng)制成的微位移驅(qū)動器，可以實現(xiàn)精密的位移控制或輸出較大的力。近年來這類器件的應(yīng)用和發(fā)展很迅速，已成為壓電陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要的分支。由于位移和力是自然界和計量學中最基本的兩個物理量，而壓電陶瓷微位移驅(qū)動器又是一種集電子元件和結(jié)構(gòu)元件于一體的新型固態(tài)器件，所以這類器件已經(jīng)在精密機械加工等方面獲得廣泛應(yīng)用。

1 驅(qū)動電源的組成

對于外加壓電陶瓷驅(qū)動電源而言，壓電陶瓷相當于容性負載，所以驅(qū)動電源的性能直接關(guān)系著高精度微位移的實現(xiàn)[1]。新型驅(qū)動電源組成如圖1所示，主要由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊）、電壓跟隨器、運算放大電路（包括電壓放大電路和功率放大電路）、保護電路以及負反饋五部分組成。計算機通過DAC提供0~5 V的模擬電壓；電壓跟隨器具有極高的輸入電阻和極低的輸出電阻，能夠有效地把DAC和放大電路兩部分隔離開；放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的線性放大和功率放大（輸出0~300 V連續(xù)可調(diào)的電壓）；保護電路可以對輸出電流的最大值進行控制，從而實現(xiàn)對電流的過流保護；負反饋網(wǎng)絡(luò)對輸出電壓進行反饋，保證輸出電壓的穩(wěn)定性和精度。其中放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性，是整個驅(qū)動電源的關(guān)鍵。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動電源原理框圖Fig.1 Principle diagram of piezoelectric ceramic driving power supply

2 驅(qū)動電源的設(shè)計

2.1 高壓放大電路

高壓放大電路這里采用高壓大帶寬MOSFET運放PA92和高精度運放OP07串聯(lián)組成的雙級放大結(jié)構(gòu)[2]，如圖2所示。前置低壓誤差放大器OP07能夠獲得較小輸入偏置電壓和較高帶寬，后置高壓功率放大器PA92能夠獲得較大輸出功率及較高耐壓特性。PA92和OP07串聯(lián)組成復合式負反饋放大電路，輸出電阻很小，因此具有很強的帶負載能力。圖中D1、D2和D5、D6是迅速恢復二極管，將運放輸入端電壓限制在 0.7 V。 電阻R1、R2和R3、R4是負反饋電阻，分別決定功率放大部分和高壓運放的放大倍數(shù)。由于復合放大器的輸入電壓為0~+5 V，輸出電壓要求為0~300 V，因此復合放大器的放大倍數(shù)要求為60[3]。由于增益過大會影響運放穩(wěn)定性，因此選定PA92的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，PA92和OP07串聯(lián)共同提供60倍的放大倍數(shù)。根據(jù)放大倍數(shù)的分配要求確定R1=3 kΩ，R2=177 kΩ，R3=180 kΩ，R4=6 kΩ。

圖2 高壓放大電路圖Fig.2 High-voltage amplifier circuit diagram

2.2 高壓穩(wěn)壓電路

本文采用如圖3所示的三端穩(wěn)壓器LM117和L7915所構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路。在10路LM117串聯(lián)構(gòu)成的電路中，每路變壓器都輸入220 V的交流電壓，輸出電壓為35 V，經(jīng)二極管組成整流橋濾波及三端穩(wěn)壓器LM117后，調(diào)節(jié)其輸出電壓為33 V，將10路輸出電壓串聯(lián)起來，再經(jīng)過濾波后就可輸出330 V的穩(wěn)定的直流電壓，最大輸出電流可達1.5 A，用于放大電路的正相供電[4]。在穩(wěn)壓器L7915構(gòu)成的電路中，經(jīng)過整流濾波及穩(wěn)壓后輸出的直流電壓為-15 V，可用于放大電路的反相供電。

圖3 高壓穩(wěn)壓電路圖Fig.3 High-voltage stabilizing circuit diagram

3 電源線性度和輸出紋波測試

3.1 電源線性度測試

輸出電壓線性度反映電源的精度指標，是指電源的實際輸出特性與理想直線之間的最大誤差。在INPUT端接入0~5 V直流電源，輸出電壓的實測數(shù)據(jù)如表1所示。用Matlab對該組數(shù)據(jù)進行分析，用一次多項式進行先行擬合，得到擬合直線：y=60.307 6x-0.009 4，由此式算出直線擬合后的電壓值從而算出絕對誤差，如表1所示，當控制輸入電壓為5 V時，絕對誤差最大，非線性相對誤差也為最大，經(jīng)計算為0.05%。這說明電源的輸入與輸出之間基本成線性關(guān)系，線性度良好[5]。如圖4所示。

表1 輸入電壓與輸出電壓值Tab.1 Input voltage and output voltage

圖4 輸入電壓與輸出電壓關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of input voltage and output voltage

3.2 電源輸出紋波測試

壓電陶瓷驅(qū)動電源輸出的紋波電壓對壓電陶瓷驅(qū)動器的位移精度有很大的影響，在Input端輸入0~5 V電源，在輸出端電壓測量結(jié)果顯示，電壓越高時，交流紋波也就越大，當電壓高于120 V時，靜態(tài)紋波也達到最大值為12 mV，如表2所示。圖5為輸入電壓為5 V，輸出電壓為300 V時的紋波測試圖。

4 結(jié) 論

本文采用PA92和OP07組成復合式負反饋放大電路設(shè)計了一種高精度動態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源。針對PZT容性負載的特點，該電源設(shè)計具有較強的驅(qū)動能力，在放大電路環(huán)節(jié)采用了負反饋和限流保護環(huán)節(jié)，高壓穩(wěn)壓電路本文采用三端穩(wěn)壓器LM117電路和L7915電路。極大減小輸出電壓紋波，提高輸出電壓線性度[6]。最后對電源性能進行測試，對測試得到的數(shù)據(jù)進行分析可以看出，本文所研制的PZT驅(qū)動電源具有良好的動態(tài)性能和線性度，以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點，滿足了設(shè)計的要求。

表2 電源輸出紋波測試Tab.2 Power output ripple test

圖5 輸出電壓300V時的紋波Fig.5 The output voltage 300V ripple

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