叠层型压电致动器的驱动电源研究

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1、叠层型压电致动器的驱动电源研究鲍诗杰，徐志科，金龙(东南大学，江苏南京210096)摘要：文章研究的压电驱动电源基于电压控制型原理，主要由升压调压模块、逆变调频模块和放电回路等几个模块组成。电源输出频率可调、峰值电压可调的方波，并针对容性负载设计了合理的放电回路，保证了压电致动器的动态驱动。关键词：压电驱动电源：升压斩波电路；逆变调频模块；放电回路O前言根据原理的不同，压电驱动电源可分为电压控制型和电荷控制型两种。采用电压控制的驱动电源主要是指基于DC．DC变换器原理的开关式驱动电源，体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄。本文旨在前人的压电致动器驱动电源研究的基础上，采用一种应用

2、较少的原理对电路进行了一些设计，验证了基于DC．DC变换器原理的可行性及其优缺点。1压电致动器驱动电源的特点压电致动器相当于一个电容器件，它的电容量通常很大，能达到十几微法左右。为了使压电致动器反应迅速，必须有一个很高的有效电荷转移速率，同时要考虑的是，当压电致动器承担外部机械负载时，会产生正压电效应，产生电能。特别是在动态工作时，以电容为代表的各参数随致动器工作而变化的特性以及频率相关的一些特性决定了其驱动电源具有以下特点：(1)在实际应用中，压电陶瓷致动器输出位移应是连续的，这就要求驱动电源的输出控制电压连续可调，对国产压电陶瓷微位移器而言，要求驱动电源的输出电压为直流0～200V连续可调

3、；(2)压电陶瓷致动器位移输出对外加驱动控制电压的响应速度，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，因此，驱动电源应具有很强的驱动能力；(3)为了适应高频响的要求，驱动电源中应有供容性负载快速放电的放电回路；(4)由于压电陶瓷微位移器主要应用于微米纳米技术领域，，所以，驱动电源应具有良好的稳定性，其输出纹波电压也应控制在很小的范围内。图1开关式压电驱动电源．275．．本文采用DC／DC变换的开关电源的原理，采用开环控制的方式，研制了结构简单，调节方便，低成本的电路。总体压电驱动电源的结构如图1所示。选用中国电子科技集团第二十六研究所生产的WTYD0808045压电陶瓷微位移致动器，它具有高压应变常数

4、的压电陶瓷材料，经叠层工艺制作的压电叠层器件。在弹性限度内，其形变与外加电场近似成线性关系，电场极性改变，形变性质发生改变(伸长或缩短)。一般可以认为S=dE。它具有低压灵敏度高，滞后小，老化小等优点。其外型尺寸为8x8x45mm，驱动电压0～200V，允许施加负电压的最大绝对值为正常工作最高电压的40％。最大输出力为500N，电容5500nF。在施加200V电压的情况下，最大位移量为45I-tm。选用EAST公司生产的WYK3003型高精度稳压稳流电源作为高电压基础电源，其输出电压为0"-'300V，输出电流为0～3A。同时选用该公司的WYK3010型高精度稳压稳流电源作为低电压基础电源，其

5、输出电压为0～30V，输出电流为0～10A。这两种稳压电源的技术指标为电源效应：羔5×10一+10mV，电流效应：s5×10一十15mV，纹波电压：VP．P510mV。升压电路采用Boost原理将低压直流电压(24V)转化为高电压(200V以上)，并且输出电压可以通过电位器的调节实现连续调节。逆变电路用于将直流电压转变为单向方波电压，利用开关管元件实现斩波逆变变换。为了搭配实验研究，逆变后的方波频率可以通过电位器的调节实现一定范围内的频率调节。放电回路是专门用于驱动容性负载所设计的，可以保证输出电压的波形，提高压电致动器的响应速度，系统总体结构如图2所示。Ⅶ匕VtⅦ血压电致动器图2本文所用到的

6、压电驱动系统结构示意图2Boost电路分析目前，在DC／DC电源升压变换中使用一种称为Boost的电路，该电路克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高等优点。该电路由开关器件(V)、二极管(vD)、储能电感(L)和滤波电容(C)组成。这里采用NMOS电力场效应管，MOSFET的开关时间在10～lOOns之间，其工作频率可达100kHZ以上．【l2

7、。Boost升压电路可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式．【l3】(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路，考虑到连续工作模式在纹波电流、峰值电感电流、峰值、开关电流和最大输出功率上有优势，

8、因此，按CCMT作模式来进行特性分析。本文基于PSPICE软件对Boost电路进行了建模，模型如图3所示。进而对电路进行瞬态仿真分析，电路的仿真结果如图8，图5所示。图4为Boost电路输出电压上升的过程；图5为Boost电路升压后电压的纹波波形。从图4中，可以观察到，电压的上升过程比较缓慢，大约经过30ms才能稳定在120V左右；从图9中，可以观察到，升压后的波形存在一定的纹波，纹波大小在32m