压电陶瓷执行器驱动电源的设计【文献综述】

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1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化压电陶瓷执行器驱动电源的设计压电陶瓷执行器因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效益高等优点，广泛应用于扫描探针显微镜、自适应主动光学元件、纳米定位、振动控制、声学、声纳、微流体输送等领域中。对于压电陶瓷稳定工作很多困难亟待解决，其中最迫切的就是驱动电源，根据压电陶瓷的特性,其驱动电源要求在一定范围内连续可调,输出稳定性好,纹波小,分辨率高。压电陶瓷驱动器的驱动源时直流高压电源，其位移精度与响应频率主要取决于电源的动态性能。近年来国内对静态压电陶瓷驱动器电源的研制取得一定的进展，静态驱动电源的分辨率达到毫伏级，动

2、态驱动电源的研制也成为当今研究的热点。在实际电路中，驱动器件近似看做容性器件，其响应频率与其等效电容值的大小有关。高机械性能的压电驱动器（输出位移和推力大）的电容值往往很大（微法级），这对驱动电源的动态性能和电源的稳定性提出了较高的要求。因此研制适合PZT动态应用的驱动电源是一项很有价值的研究课题。目前压电陶瓷驱动器主要由电压控制型驱动电源和电荷控制型驱动电源。电压控制型驱动器是根据压电陶瓷位移与其两端电压呈近似线性关系的原理，通过控制电压来控制位移。电压型驱动电源主要有2种形式：一种是基于直流变换原理的开关式驱动电源，这种方法的功率损耗小、效率高、体积小，但高频

3、干扰较大，电源输出纹波较大，频响范围较窄[1]，如图1。另一种是直流放大式驱动电源，这种电源输出纹波小，频响范围较宽[2]，如图2。其中高压放大器可以由分立器件组成，也可由集成的高压运算放大器组成。使用分立器件构成高压放大器时需要注意输出电压的非线性、纹波、频率响应以及自激振动等问题。冯晓光、赵万生等在采用分立元件构成高压放大器等研究中采用恒流源代替驱动三极管基极电阻[3]，有效降低了输出电压的纹波，而赵建伟、孙徐仁等则使用超前电容补偿和引入补偿电阻的方法来消除由于驱动容性负载而产生的自激现象[4]。利用集成高压运算放大器(如PA85、PA78等)配合少量的外围器

4、件，可以有效解决输出电压的非线性问题，并能提高驱动电源的频率响应特性，减少自激现象[5]，提高整个系统的输出特性。目前高压运放技术日趋完善，直流放大式驱动电源己成为该领域的主流。电荷控制型驱动电源可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变，但由于压电陶瓷的内阻很高，充电电流小，响应时间长，更适合于静态或对频响要求不高的场合。吴一峰，杨宜民等研制的压电式直线和旋转驱动器是采用恒流源驱动[6],其驱动原理如图3所示。采用集成元件代替分立元件，用EMM法进行动态特性校正，由电桥和K6组成的电压负反馈误差系统构成了压电元件平衡状态下的恒定极化强度,而校正环节又使电流超前Uin一个相角，

5、补偿了极化弛豫所造成的介电损耗，获得良好的动态特性。用此方法获得了小于10nm的分辨率，35nm的重复性，0.08%的线性度及80Hz的带宽。图4为一种电流控制型开环压电陶瓷驱动器的结构图[7]。为了解决稳态精度问题,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,使电流型驱动器具有较好的静态稳定性。采用该电流型驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1.5kHz,重复定位精度小于4nm(0.4%)。基于电压驱动方式的压电陶瓷驱动电源结构简单，可控性强，技术比较成熟，但是存在迟滞、蠕变、带宽窄等固有缺点。为克服这些缺点使控制线性化，需要引入反馈环节，或者添

6、加控制算法，这增加了控制的复杂程度，降低了可控性。使用电流驱动方式可以通过控制电荷来线性控制压电陶瓷位移，简化控制过程，提高开环控制精度，而电流驱动方式却因电路中各种漏电流的存在很难达到静态稳定。在应用中采用何种驱动电源或者是控制方式，应该根据实际条件确定。对定位精度、频响要求不是很高，可采用电压驱动；对于静态定位，电压驱动和电流驱动均可采用，一般在开环控制方式下可以采用电流驱动，使用电压驱动时可以采用软件补偿方法或者反馈控制方法。对于动态控制，上述方法均可，但要根据是开环还是闭环、频响以及定位精度要求的高低来选择，一般优先选择电流驱动电源，可实现开环控制。参考文

7、献[1].潘仲明.精密车床直线运动误差检测、补偿中的压电微动伺服机构[J].中国仪器仪表过程检测会议,长沙,1986.[2].王晓慧.超精密加上中圆度、圆柱度随机误差补偿研究:[学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1994.[3].冯晓光,赵万生,栗岩,等.减小压电陶瓷驱动电源波纹的一种有效方法[J]。哈尔滨工业大学学报,1997,19(1):35-38.[4].赵建伟,孙徐仁,田蔚.低频压电陶瓷驱动器驱动电源研制[J].压电与声光,2002,24(2):107-110.[1].李福良.基于PA85的新型压电陶瓷驱动电源[J].压电与声光,2005，27(4)：3

8、92-39