一種新型壓電陶瓷驅(qū)動電源的研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究領(lǐng)域的不斷擴展，人們研究的操作對象從宏觀領(lǐng)域逐步深入到了微觀領(lǐng)域，并且許多領(lǐng)域越來越需要高速動態(tài)納米定位系統(tǒng)，如微納制造、微電子制造、汽車工業(yè)、生命科學(xué)、超精密加工與測量和納米精密定位的光刻技術(shù)等。壓電陶瓷是一種微驅(qū)動材料，具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲、不發(fā)熱、輸出有效頻帶寬、使用壽命長、位移精度非常高、驅(qū)動能力可達幾十牛到幾百牛[1-2]等特點，使得壓電陶瓷在動態(tài)定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。壓電陶瓷的動態(tài)性能在很大程度上依賴于驅(qū)動器的性能，例如驅(qū)動電源的穩(wěn)定性、帶負載能力、使用效率、輸出有效帶寬以及輸出紋波等。因此，驅(qū)動電源的性能決定著納米定位系統(tǒng)的性能[3]。壓電陶瓷的驅(qū)動方式主要有電壓驅(qū)動型、電荷驅(qū)動型、混合驅(qū)動型和開關(guān)驅(qū)動型4種。由于電壓驅(qū)動型[4-5]具有遲滯影響，不適合動態(tài)性能要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。電荷反饋驅(qū)動方式[6-7]能夠滿足一些動態(tài)性能要求較高的環(huán)境，響應(yīng)速度快，遲滯減少，但存在低頻穩(wěn)定性差、在靜態(tài)工作下電荷泄露大，非線性以及零點漂移等缺點?；旌向?qū)動型是結(jié)合電壓驅(qū)動型和電荷驅(qū)動型各自優(yōu)點的一種驅(qū)動方式，但是效率低、體積大。開關(guān)驅(qū)動型[8]是一種新型驅(qū)動方式，提高了使用效率。因此，針對目前使用的壓電陶瓷驅(qū)動電源存在的使用效率低、體積大等問題，本文提出了一種PWM開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其使用效率高、動態(tài)性能好，具有很高的實用應(yīng)用價值。
1 開關(guān)型驅(qū)動電源
1.1 脈沖開關(guān)型驅(qū)動電源基本組成
　傳統(tǒng)開關(guān)型驅(qū)動電源基本上是由分立元件構(gòu)成的雖然基本上能實現(xiàn)對輸入信號的脈寬調(diào)制，但由于分立元件工作不穩(wěn)定，電路復(fù)雜、效率低，而使用PWM集成運算放大器，可以使電路設(shè)計比較簡單，能夠比較快速高效地完成驅(qū)動電源的設(shè)計與制作。其工作效率高、體積小、散熱方面設(shè)計簡單，甚至不需要散熱器。PWM集成運算放大器用模擬輸入信號作為調(diào)制信號，通過內(nèi)部的鋸齒波調(diào)制電路將模擬信號再轉(zhuǎn)換成所需的PWM信號，最后經(jīng)過內(nèi)部的橋式放大電路輸出，向負載提供輸出信號，輸出電壓隨著供電電壓的增大而增大，頻率與輸入信號相同。輸入信號經(jīng)過PWM集成放大器放大之后，輸出調(diào)制脈沖信號，再經(jīng)過LC低通濾波電路處理，LC濾波將脈沖信號解調(diào)為模擬信號之后，便可直接驅(qū)動壓電陶瓷負載。
但是一般的集成開關(guān)型驅(qū)動電源只能用于開環(huán)控制壓電陶瓷，定位精度不高。在實際應(yīng)用中需設(shè)計一些反饋電路來精確控制壓電陶瓷的微位移。因此設(shè)計中采用電壓反饋式電路，在輸出級部分采用一個兩階無源LC低通濾波器。在電壓反饋通道上設(shè)計帶有積分式低通有源濾波器的差分放大器。采用無源濾波器主要是考慮到從PWM模塊反饋的脈沖放大信號經(jīng)過電阻分壓器之后得到的是電壓小信號。另一方面是將反饋的脈沖信號解調(diào)之后的模擬信號與輸入控制小信號作比較。最后，誤差積分器對濾波后的反饋電壓和輸入信號進行比較，通過消除偏差電壓來實現(xiàn)電壓反饋的精確控制，以克服電源電壓和溫度等一些參數(shù)變化對輸出電壓的影響。電壓反饋式電路控制壓電陶瓷兩端的電壓最終達到壓電陶瓷致動器微米甚至納米級的精密定位。

　　由圖1可得電感與兩端電壓之間的關(guān)系為：

1.3 開關(guān)型驅(qū)動電源硬件電路設(shè)計
　PWM集成運算放大器體積小、效率高且抗干擾性強。為了確保電壓反饋式壓電陶瓷驅(qū)動電源能夠穩(wěn)定工作，精確控制壓電陶瓷位移，本設(shè)計采用以MSK4223為核心的PWM放大器，通過電壓反饋環(huán)來精確控制壓電陶瓷位移。電壓式反饋式開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計電路如圖3所示。

　輸出電壓可以通過電壓反饋檢測。由于Output A和Output B輸出的是大電壓信號，因此，需要通過電阻分壓器降低檢測電壓之后，小信號放大器才能處理。輸出的電壓信號通過由電阻R6和R8、R9和R10構(gòu)成的電阻分壓器之后可以縮小為原來的1/10，因此，驅(qū)動電源的反饋電壓增益為-10 V/V。A2的同相輸入端上，通過電容C4、C5與電阻R5、R7組合，構(gòu)成一個二階的20 kHz的積分低通濾波電路，反相輸入端，C2、C3與R3、R4同理。A2是一個共模輸入電壓限制的放大器。反饋點是從Output A和Output B輸出端取得，而不是從負載取得的。PWM方式反饋點在理論上也可以從負載選取，但在實際中卻不行，因為由濾波元件所產(chǎn)生的相移會使得閉環(huán)穩(wěn)定性變得很低。從輸出取得的反饋點與負載取得的反饋點之間的差異就相當(dāng)于由濾波電感產(chǎn)生的損耗。因此好的濾波設(shè)計會使這種損耗變得非常低。雖然MSK4223每半個H橋中都有感應(yīng)電流的能力，由于采用的是電壓反饋式，因此電流檢測引腳連接在一起，直接接地。為了MSK4223實現(xiàn)100%調(diào)制，積分器A1的輸出必須保證在1.25 V~3.75 V之間。A1是一個高速精密運算放大器，它對于任何所需的直流增益可以運行，在反饋設(shè)計中當(dāng)作積分器使用。A2的輸出信號可以提供所需的輸入電壓來驅(qū)動MSK4223，從而形成閉環(huán)控制。使積分放大器A1的時間常數(shù)足夠快，以盡可能提供所需帶寬的頻率響應(yīng)，循環(huán)的精確性靠高增益來確保?？傊?，積分放大器A1和差分放大器A2將輸入控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的脈沖放大信號。MSK4223通過內(nèi)部比較器將積分放大器輸出的信號與斜坡電壓作比較來產(chǎn)生占空比信息。Output A和Output B輸出的信號經(jīng)過LC低通濾波器將脈沖放大信號重新解調(diào)成正弦信號來驅(qū)動負載。
2 脈沖開關(guān)型驅(qū)動電源效率分析
　PWM開關(guān)型放大器具有使用效率高、節(jié)省成本和體積小等一系列特點。整個電路主要的損耗就集中在場效應(yīng)管（或三極管）元件開關(guān)損耗和導(dǎo)通時飽和壓降引起的損耗。因此可以通過公式分析放大器內(nèi)部使用效率與功耗。此次設(shè)計采用的是全橋開關(guān)型放大器，為了直觀分析效率，使用半橋輸出電路，全橋輸出電路放大器內(nèi)部功率損耗是半橋輸出電路的兩倍，如圖4所示。

　MSK4223放大器內(nèi)部的功率損耗為：

　通過式（11）可知，輸出電壓VO越接近供電電壓VS，效率就會越高。PWM放大器的優(yōu)點就是輸出總是接近供電電壓或者接近于零。由于在輸出電壓的過程中壓降很小，因此，開關(guān)放大器的效率要比線性放大器高。PWM放大器的輸出效率值通?？梢赃_到80%～95%。雖然PWM開關(guān)放大器的技術(shù)目前相對還不成熟，但當(dāng)線性放大器和PWM放大器傳送最大輸出時，它們的效率幾乎是相同的。典型來說，在輸出電流相近的情況下，相比線性放大器來說，PWM放大器大約只有1/3或者更少的壓降。靜態(tài)功耗只是總體功率的一小部分。功耗的計算只包括輸出電流和放大器所有的阻抗。另外，PWM開關(guān)放大器可以改善體積和硬件成本，提高便攜性，因為其靜態(tài)功耗低、發(fā)熱少，不需要安裝多個散熱模塊。
3 脈沖開關(guān)型驅(qū)動電源實驗研究與結(jié)果
　由于設(shè)計是以PWM放大器為核心的開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源全橋方式輸出，因此，AOUT-BOUT電壓經(jīng)LC低通濾波后的電壓即為壓電陶瓷兩端的電壓，并且為懸浮電壓。選用隔離差分探頭進行測量，確保更精確測量壓電陶瓷兩端電壓信號并傳送到示波器的輸入端。由于壓電陶瓷相當(dāng)于容性負載，為了測試開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動電源動態(tài)性能和最大有效帶寬，使用高精度的CBO電容來模擬壓電陶瓷。對該電源輸入階躍信號，對應(yīng)的階躍響應(yīng)如圖5所示。上升時間大約為150 μs。

　驅(qū)動電源調(diào)制后的輸出脈沖是一些不同占空比的波形。圖6給出了2 kHz時占空比為90%的波形，反饋積分差分放大器的截止頻率是20 kHz，理論上，PWM模塊可以調(diào)制至少10 kHz的輸入正弦信號，但由于反饋元件參數(shù)較難匹配，隨著輸入正弦信號頻率的增加，最終跟隨輸入正弦信號的輸出放大信號調(diào)制頻率為2 kHz。

　壓電陶瓷的動態(tài)應(yīng)用場合越來越多，通過分析目前使用的驅(qū)動電源存在的使用效率低、體積大等問題，提出了一種使用效率高、動態(tài)性能好的PWM壓電陶瓷驅(qū)動電源，使用效率提高到80%以上，有效輸出帶寬可以達到2 kHz，體積小，集成度也有了明顯提高。
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