壓電陶瓷驅動電源的設計與實現

王瑜瑜，劉少軍

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

利用壓電陶瓷及其逆壓電效應制成的微位移驅動器，可以實現精密的位移控制或輸出較大的力。近年來這類器件的應用和發展很迅速，已成為壓電陶瓷應用領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動器又是一種集電子元件和結構元件于一體的新型固態器件，所以這類器件已經在精密機械加工等方面獲得廣泛應用。

1 驅動電源的組成

對于外加壓電陶瓷驅動電源而言，壓電陶瓷相當于容性負載，所以驅動電源的性能直接關系著高精度微位移的實現[1]。新型驅動電源組成如圖1所示，主要由DAC（數模轉換模塊）、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；放大電路能夠實現電壓的線性放大和功率放大（輸出0~300 V連續可調的電壓）；保護電路可以對輸出電流的最大值進行控制，從而實現對電流的過流保護；負反饋網絡對輸出電壓進行反饋，保證輸出電壓的穩定性和精度。其中放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個驅動電源的關鍵。

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

2 驅動電源的設計

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串聯組成的雙級放大結構[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。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要求為60[3]。由于增益過大會影響運放穩定性，因此選定PA92的閉環放大倍數為31，PA92和OP07串聯共同提供60倍的放大倍數。根據放大倍數的分配要求確定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 高壓穩壓電路

本文采用如圖3所示的三端穩壓器LM117和L7915所構成的直流穩壓電路。在10路LM117串聯構成的電路中，每路變壓器都輸入220 V的交流電壓，輸出電壓為35 V，經二極管組成整流橋濾波及三端穩壓器LM117后，調節其輸出電壓為33 V，將10路輸出電壓串聯起來，再經過濾波后就可輸出330 V的穩定的直流電壓，最大輸出電流可達1.5 A，用于放大電路的正相供電[4]。在穩壓器L7915構成的電路中，經過整流濾波及穩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，輸出電壓的實測數據如表1所示。用Matlab對該組數據進行分析，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，經計算為0.05%。這說明電源的輸入與輸出之間基本成線性關系，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

壓電陶瓷驅動電源輸出的紋波電壓對壓電陶瓷驅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 論

本文采用PA92和OP07組成復合式負反饋放大電路設計了一種高精度動態壓電陶瓷驅動電源。針對PZT容性負載的特點，該電源設計具有較強的驅動能力，在放大電路環節采用了負反饋和限流保護環節，高壓穩壓電路本文采用三端穩壓器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，對測試得到的數據進行分析可以看出，本文所研制的PZT驅動電源具有良好的動態性能和線性度，以及輸出電壓紋波小等優點，滿足了設計的要求。

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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