1、壓電陶瓷致動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求

壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

(1)壓電陶瓷致動(dòng)器的位移輸出對(duì)外加驅(qū)動(dòng)控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的大小，因此驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有較大的驅(qū)動(dòng)電流，一般不應(yīng)小于150mA；

(2)驅(qū)動(dòng)電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)，對(duì)國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷致動(dòng)器PTBS200系列而言，要求驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓為直流0～200V，連續(xù)可調(diào)；

(3)為適應(yīng)高頻響應(yīng)的要求，驅(qū)動(dòng)電源中應(yīng)具有供容性負(fù)載快速放電的回路；

(4)由于壓電陶瓷致動(dòng)器主要應(yīng)用于微納米技術(shù)領(lǐng)域，所以驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)；

(5)為實(shí)現(xiàn)位移的自動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)電源最好采用計(jì)算機(jī)控制。

壓電陶瓷致動(dòng)器外電路是一個(gè)容性負(fù)載，并有遲滯和蠕變現(xiàn)象。而驅(qū)動(dòng)電源一般可分為電荷控制型和電壓控制型。電荷控制型驅(qū)動(dòng)電源基于電容器充電的原理(對(duì)外加電壓而言，每個(gè)壓電陶瓷片相當(dāng)于一只平行板電容器)，可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變。電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源主要有以下兩種形式：一種是基于DC/DC變換器原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源，其體積小、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響范圍也較窄；另一種是直流放大電源，頻響范圍寬，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其應(yīng)用前景廣闊。

2、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

根據(jù)壓電陶瓷致動(dòng)器對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的要求，本設(shè)計(jì)中的電源采用直流放大式電路。整個(gè)電源電路主要由計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)算放大電路和高壓電路等幾部分組成。高壓電路提供220V的直流電壓，計(jì)算機(jī)通過(guò)LabView8.5控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一定的輸出波形，得到0～5V的連續(xù)可調(diào)控制電壓;放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的線性放大和功率放大，輸出0～200V連續(xù)可調(diào)的直流電壓，并決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

① 高壓電路

由于直流電壓的穩(wěn)定性直接影響驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性，采用220V輸出電壓的高壓電路，主要部分是將市電交流220V變?yōu)?220V直流電壓的全橋整流供電電路。

② 波形發(fā)生電路

良好的輸入波形是電源的關(guān)鍵之一，關(guān)系到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號(hào)的頻率、幅值可變，信號(hào)波形好，畸變小，不僅可以消除壓電陶瓷本身的遲滯特性和蠕變特性，也能獲得更廣泛的應(yīng)用。由于電壓精度要求比較高，使用NI公司的具有16位模擬輸入輸出的多功能數(shù)據(jù)采集卡6221將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出電壓為0～5V，電壓分辨率達(dá)到5/216，約等于0.076mV。采用LabView8.5編程可以實(shí)現(xiàn)任意波形及緩變直流等輸出，靈活性強(qiáng)，能滿足各種需要。

③高壓放大電路

采用美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA96和高精度運(yùn)算放大器OP07串聯(lián)組成串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。PA96是一種高壓，大帶寬的MOSFET運(yùn)算放大器，輸出電流達(dá)到1.5A，輸出電壓接近300V，安全操作區(qū)(SOA)沒(méi)有二次擊穿的限制，通過(guò)選擇合適的限流電阻，可觀察到任何負(fù)載下的安全操作曲線。PA96的最大失調(diào)電壓為5mV，對(duì)要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其輸入特性不能滿足要求。在該電源的線性放大部分采用了PA96和OP07串聯(lián)的復(fù)合放大器，從而使輸入失調(diào)電壓由前置放大器OP07控制。由于復(fù)合放大器的輸入電壓為0～5V，輸出電壓要求為0～200V，因此復(fù)合放大器的放大倍數(shù)要求為40。但增益過(guò)大會(huì)影響運(yùn)放穩(wěn)定性，因此選定PA96的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，PA96和OP07串聯(lián)后共同提供的放大倍數(shù)為40。根據(jù)放大倍數(shù)的分配要求可得：

R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ

由于構(gòu)成負(fù)反饋電路，輸出電阻非常小(mΩ級(jí))，因此具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。R5為限流電阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，這里為5.4Ω。

3、相位補(bǔ)償與輸出保護(hù)

自激現(xiàn)象是影響電源穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。當(dāng)集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為一定值時(shí)，由于相移過(guò)大，電路會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，因此應(yīng)對(duì)集成運(yùn)放進(jìn)行相位補(bǔ)償。通常在輸入端和輸出端外接補(bǔ)償元件，進(jìn)行相位補(bǔ)償。相位補(bǔ)償不僅能提高運(yùn)放的穩(wěn)定性，還能擴(kuò)展帶寬。電路中PA96一級(jí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，由此計(jì)算出其增益為30，根據(jù)PA96的數(shù)據(jù)資料，確定相位補(bǔ)償電容值CC=10pF，閉環(huán)帶寬大約為1MHz。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護(hù)，防止瞬態(tài)過(guò)壓，輸出二極管D3、D4可對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓進(jìn)行保護(hù)，防止瞬態(tài)過(guò)壓損壞OP07的輸出。PA96放大器輸入端的二極管D5、D6、D7、D8把放大器正負(fù)輸入端的電壓鉗位在規(guī)定范圍內(nèi)，對(duì)運(yùn)放起保護(hù)作用。

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