大功率壓電陶瓷驅動電源的研究與設計

趙軒毅，馬力輝（河北大學 質量技術監督學院學院，河北保定，071000）

大功率壓電陶瓷驅動電源的研究與設計

趙軒毅，馬力輝
（河北大學 質量技術監督學院學院，河北保定，071000）

設計了一種新型大功率壓電陶瓷驅動電源。該電源由普通的低壓運算放大器以及高壓三極管搭建而成。采用負反饋以及相位補償的原理，將輸入的小電壓的控制信號線性放大到大電壓、高功率的驅動信號，用于驅動大容量的壓電陶瓷。最后通過實驗對驅動電源進行了測試，結果表明該電源輸出精度高，響應快，穩定性好。該電源電路簡單，成本低，因此具有很高的實用價值。

壓電陶瓷；驅動電源；運算放大器

0 引言

壓電陶瓷是近幾年發展起來的一種新型智能材料。由于其具有壓電特性及由壓電性而引起的機電性能，可以用它作為電能和機械能之間的換能器，其正壓電效應可使壓電陶瓷成為發電機（將機械能轉變為電能），而逆壓電效應又可以使壓電陶瓷成為馬達（將電能轉變為機械能）。壓電陶瓷驅動器就是一種利用壓電材料逆壓電效應制作的微驅動器，它是近年來倍受關注的新型精密驅動器，其具有體積小、推力大、定位精度高、分辨率高、頻響快等優點，并且不發熱，不產生噪聲，己成為微機電系統中重要定位及驅動元件，在納米技術、精密測量、微細加工、微電子和機器人等領域取得了廣泛應用。

驅動控制電源是壓電陶瓷驅動器的關鍵驅動部件，其對壓電陶瓷驅動器的微位移性能影響很大，特別是機構的動態使用特性，很大程度上取決于驅動電源的動態性能，因此，壓電陶瓷驅動電源技術已成為目前壓電陶瓷驅動器應用中的關鍵技術之一。與傳統電源不同，壓電陶瓷電源既需要大功率、高電壓輸出，又需要高響應頻率，傳統電源無法使用，屬于特種電源范疇，因此，壓電陶瓷驅動電源技術也得到國內外越來越多的重視，世界各國都競相開展對壓電陶瓷驅動電源技術的研究。目前較為成熟的產品主要有德國PI公司的驅動電源以及哈工大HPV系列驅動電源。但是價格都非常昂貴，而且內部電路不公開，對于特定性能指標只能定制，周期長，對于壓電陶瓷的產品的開發很不方便。

本文設計的驅動電源很大程度上解決了這些難題，電路簡單，更改參數方便，響應迅速，對于壓電陶瓷產品的研制能起到很大的幫助。

1 設計要求

由于驅動電源是用來驅動壓電陶瓷的，而壓電陶瓷建模后本身是一個很大的容性負載。因此壓電陶瓷本身加上交流激勵信號后基本上沒有能量消耗，而所有的能量全部以內耗的形式消耗到了驅動電源上。因此當對壓電陶瓷進行動態驅動時，驅動電源上的功耗將隨驅動頻率的增大顯著增大。特別是當壓電陶瓷容量較大時。驅動電源上所承受的功耗將是影響整個驅動電源設計的關鍵。以壓電陶瓷上加正弦波性為例，驅動電源上消耗的功率如下：

U：驅動電壓的有效值

f：正弦波的頻率

C：壓電陶瓷的容量

有些應用場合壓電陶瓷的電容量很大，而動態響應過程要求也很高，比如油液管路中消振，以壓電陶瓷作為驅動的開關閥等。此時驅動電源上的功耗就將很大，電源設計比較困難。比如要求驅動電源正弦輸出的幅值200V，頻率200Hz，壓電陶瓷的電容量為10UF時，根據公式算得的驅動電源的功耗將是251.2W。

本文就是要研究一種驅動大容量壓電陶瓷的驅動電源，而且此電源還具有快速的頻率響應。具體設計指標如下：

1）輸出電壓：0~200V

2）頻率要求：0~200Hz

3）壓電陶瓷電容量：＜=10UF

2 設計方案

按照以上的設計要求，采取自上向下的設計方式，我們在設計中首先按功能把驅動電源分為直流穩壓源和放大電路兩部分。其中直流穩壓電源為控制系統及放大電路提供穩定的直流電壓，按電壓值及用處的不同，該部分又分為低壓直流電源、高壓直流電源。放大電路實現電壓的放大，輸出具有一定驅動能力的交變電壓，該部分決定著驅動電源的輸出性能，是電源設計的核心部分。由于本電源要求很高的線性輸出電壓，且有很高的驅動能力，因此現有的高壓運算放大器無法滿足這一要求。本電源采用了晶體管直接進行線性放大。一般放大電路都是由輸入級，中間放大級和輸出級三部分構成。因此本電路設計中也針對這三級進行設計，利用晶體管分別設計出這三級然后再將三級聯接起來調節。

2.1直流供電電源

在驅動電源電路中，需要用到220V，士15V三種電壓值的直流電壓源。直流穩壓電源的性能直接影響電源的輸出性能。高壓直流電源+220V和士15V都是采用開關電源模塊，可以簡化主體電路的體積。同時此種穩壓電源技術成熟。采用成熟的產品既提高了可靠性又可以簡化電路的設計。

圖2　.3前置級放大電路

2.2線性放大電路

線性放大電路是整個驅動電源的核心部分，也是整個設計中的最大的一個難點。

根據運算放大器的典型結構，本放大電路也主要是由三部分構成，即前置放大級、中間級以及驅動輸出級，以下分別對各級進行詳細的介紹。

1）前置級

從圖中可以看出前置級放大電路是由普通的運算放大器OP07和一個NPN的三極管構成。為了使整個電路的線性度更好。就需要提高電路的開環放大倍數，增大電路的反饋深度。此前置級放大電路采用集成運放與三極管共射級放大電路串聯的結構既可以將0到10伏的低電壓放大到0到200伏，又調高了電路的開環放大倍數，從而使得閉環電路放大時的線性度更好。

2）中間級

圖2　.4 中間級放大電路

中間級放大電路位于前置級和驅動輸出級之間。從圖中可以看出來，此中間級電路是一個共集級放大電路，即電壓信號的射級跟隨器。對電壓沒有放大作用，只是將輸出電流進行放大，用于增加驅動能力。由于集電極放大電路輸入電阻大、輸出電阻小因此從信號源索取的電流小而且帶負載能力強，所以此電路常常用于前置級與輸出級之間，主要作用就是增加前置級輸出的電壓信號的驅動能力，起一個緩沖作用，以滿足后面輸出級的需要。

3）驅動輸出級

驅動輸出級直接用于驅動壓電陶瓷。此驅動輸出電路是一個典型的互補推挽功率放大電路。由于大功率的PNP三極管型號很少，因此本電路的下管采用了一個高壓小功率的PNP管和一個大功率的NPN管復合的結構來代替PNP管。由于采用了大功率的三極管，因此電路的驅動能力很強可以滿足驅動壓電陶瓷的需要。

3 電路的性能測試

表3.1 靜態特性測試結果

3.1靜態特性測試

放大倍數設定為20，輸入0到10V，輸出0到200V，靜態特性如下表3.1：

從表中可以看出，驅動電源靜態精度很高。

3.2動態特性測試

從以上的靜態測試以及動態測試結果可以看出，該電源輸出精度高，響應快，穩定性好，動態特性基本上滿足驅動大容量壓電陶瓷的要求，且該電源電路簡單，成本低，因此具有很高的實用價值，目前已經在高校實驗室中應用于壓電陶瓷的驅動，對于壓電陶瓷產品的研制起到了很大的幫助。

以一真實的7.8UF的壓電陶瓷作為負載，測試驅動電源在不同輸入情況下的動態響應，輸出范圍均設定為0到200V。

1）階躍響應

圖3　.1 200V階躍響應曲線

圖3　.2 50HZ方波輸出（峰值200V）

［1］童白詩 ，華成英等.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2000：89-115

［2］北航電工電子中心電氣技術實踐基礎教學小組編著.電氣信息技術實踐基礎［M］.2003：121-125

從響應曲線可以看出階躍響應時間為2ms。

2）方波響應

3）正弦響應

The Study And Design Of High Power Supply For Piezoelectric

Zhao Xuanyi，Ma Lihui
（Technology and instrument measurement， Hebei University，Baoding，071000，China）

Design a new high power supply for piezoelectric.The power supply is made up of low voltage operational amplifier and high voltage transistor. Based on the theory of negative feedback and phase compensation，the power supply can convert the low voltage control signal to high voltage，high power drive signal，which is used to drive high capacitance piezoelectric. Finally we test the performance of our power supply according to experiment， the result show the power supply has high precision，high response and good stability.Since the design of the power supply is very simple and the cost is very low，the power supply has the high practical value.

Piezoelectric；Power supply；operational amplifier

圖3　.2 200HZ方波輸出（峰值200V）圖3.3 50HZ正弦輸出（峰值200V）

4 結論

TP23