毕业设计（论文）-压电陶瓷驱动电源毕业设计说明书

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1、中北大学2010届毕业设计说明书1.绪论1.1引言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[1]。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，压电陶瓷驱动电源技术己成为目前压电陶瓷执行器应用中的关键技术之一[2]。1.2国内外研究现状压电陶瓷执行器驱动电源主要有电压控制型和电流/电荷控制型两种[3]，从实现方式上主要有线性和开关式两种[4]。电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源有以下几

2、种方式：1）线性直流放大式电源直接采用高压运算放大器的方式具有静态性能好、集成度高、结构简单等优点，但由于高压运算放大器的输出电流一般都小于200mA，因此压电陶瓷执行器的动态性能受到限制。2）电压跟随式电源此种压电陶瓷执行器驱动电源将电压放大和功率放大分离，驱动级可以提供较高的驱动电流；由于没有直接从输出的电压信号取得采样，前后级之间会产生跟随误差，精度不可能很高；并且在静态时驱动电源仍有较大的功率输出，效率不高，发热严重。3）误差放大式电源误差放大式驱动电源直接从输出电压取得反馈，可以对电压进行实时监控，同时对电路中的电流进行监控，

3、以保证电路工作在正常的范围之内。误差放大式电源是电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的主要形式。4）开关式电源开关式驱动电源基于直流变化器原理，由于输出级(通常是MOSFET)只工作在开、关两种状态，因而提高了效率，发热小。但是，目前基于这种原理研制的驱动电源输出纹波电压较大，频率特性差，电路实现也较复杂。因此，采用开关式电源快速、准确驱动强容性负载仍需要更深入的研究[5]。第37页共37页中北大学2010届毕业设计说明书电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源源于Comstock和Newcomb与Flinn的研究工作，由于能降低叠堆型压电陶

4、瓷执行器的滞后现象，实现线性驱动，得到深入研究。但是电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源存在零点漂移，低频特性差，限制了其应用[6]。图1.1电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的原理：(a)直接采用高压运放,(b)跟随式,(c)误差放大式,(d)开关式1.2.1HPV压电陶瓷驱动电源第37页共37页中北大学2010届毕业设计说明书哈尔滨工业大学研制的HVP系列压电陶瓷驱动电源，如图1.2(a)所示，它的主要性能指标如表1.2（b）所示[7]：图a图b图1.2（a）HPV驱动电源性能参数(b)HVP压电陶瓷驱动电源1.2.2PIE-480

5、型压电陶瓷驱动电源图1.3是PI(PhysicInstrument)公司生产的E-480型动态压电陶瓷驱动电源，具有2000W峰值输出功率，输出电压范围为0～1000V，可以配置成双极性输出[7]。1.3PiezoMechanicRCV1000/7型压电陶瓷驱动电源:第37页共37页中北大学2010届毕业设计说明书图1.3E-480型压电陶瓷执行器驱动电源图1.4是PiezoMechanic公司生产的RCV1000/7型压电陶瓷驱动电源，输出电压范围为0～1000V，增益为200，峰值输出电流达7A，平均输出电流可达2.2A，纹波电压小

6、于2V。图1.4RCV1000/7型压电陶瓷驱动电源可以看出，国内对压电陶瓷静态电源的研制取得了一定的进展，国内的压电陶瓷驱动功率放大器，如哈尔滨工业大学的HVP系列的压电陶瓷驱动电源，其分辨率、纹波都达已到毫伏级[6]。但是，动态压电陶瓷驱动电源的研制与国外仍有较大的差距。国内的压电陶瓷驱动电源的输出功率基本上没有超过100W，电流不超过500mA，而德国PI公司开发的E-480型压电陶瓷执行器驱动电源，峰值输出功率已达2000W，平均输出功率也达630W，PiezoMechanic公司开发RCV1000/7型压电陶瓷执行器驱动电源，

7、峰值电流达10A，平均电流达2.2A[8]。1.3本课题的研究内容第37页共37页中北大学2010届毕业设计说明书针对压电陶瓷的驱动电源要求电压高、电流小、输出可控的特点，设计压电陶瓷驱动电源，实现：1:由10V直流电源到200V电源的DC-DC变换，为压电陶瓷提供必要的驱动电压：1)采用BOOST拓扑实现DC-DC升压变换。2)通过PWM波发生器控制开关器件。2:根据输入信号控制加在压电陶瓷上的电压，实现压电陶瓷的可控动作。研究内容包括：1）学习掌握压电陶瓷的基本工作原理及对驱动电源的要求。2）学习掌握DC-DC变换的基本方法。3）根

8、据压电陶瓷驱动电源的特点，设计10V到200V电源的DC-DC变换电路。4）设计压电陶瓷控制电路。5）调试相应电路，实现压电陶瓷的供电和控制功能。第37页共37页中北大学2010届毕业设计说明书2．DC-D