压电陶瓷执行器驱动电源设计

压电陶瓷执行器驱动电源设计

由于体积小、位移分辨率高、速度快、生产能力高，改能效率高，深受利用。大位移量压电陶瓷执行器通常呈现强容性的特点,高效大功率压电陶瓷执行器驱动电源在一定程度上决定压电陶瓷执行器使用时的性能。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。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瓷执行器的滞后现象,实现线性驱动得到深入研究。但电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源存在零点漂移,低频特性较差,限制了其应用。电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源方式有:(1)直接采用高压运算放大器的线性直流放大式驱动电源。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,因此其动态性能受到限制。(2)电压跟随式驱动电源。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,前后级会产生跟随误差,精度不可能很高;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,以保证电路工作在正常的范围之内。(4)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)只工作在开和关两种状态,效率高,发热小,但目前基于这种原理研制的驱动电源输出电压纹波较大,频率特性较差,电路实现也较复杂。针对压电陶瓷执行器呈强容性负载的特性,本文研究了基于误差放大原理的压电陶瓷执行器的动态驱动电源,采用了高压运算放大器结合准互补对称结构构成的输出级提高驱动电源的输出电压范围和多组准互补对称结构构成的输出级并联提高峰值输出功率。介绍了采用上述方法开发的压电陶瓷执行器动态驱动电源及其特性测试结果。1动态驱动电源的工作原理和电路组成1.1功率放大/充放电电流控制单元本文提出并研究的一种压电陶瓷执行器动态驱动电源的工作原理如图1所示,动态驱动电源采用误差放大式原理。由图1可知,驱动电源包括误差放大部分、功率放大/充放电电流控制部分和供电电源部分。误差放大部分采用高压运算放大器实现输出电压误差取样信号的放大,其具有以下优点:(1)保证驱动电源的高精度。(2)简化电路设计、集成度高、可靠性好、不易产生自激振荡。(3)为负载提供一定的驱动电流。由图1还可知,功率放大/充放电电流控制部分采用N组具有限流功能的功率放大单元电路(其电路原理如图2所示)并联共同给压电陶瓷执行器负载提供充放电电流。因此,增大功率放大/充放电电流控制单元的组数可成倍地增大驱动电源给压电陶瓷执行器提供充、放电电流,包括峰值输出电流和瞬态输出电流。这样,通过上述方法也可成倍提高驱动电源的峰值输出功率,包括动态时产生的瞬态功率和平均功率。且其功率提高是由N组功率放大单元电路平均分担,有利于分散动态驱动容性负载时在电源中产生的功率。在实际设计压电陶瓷执行器驱动电源时,应尽量保证每组功率放大/充放电电流控制单元的充放电流分别一致。驱动电源采用不对称的双电源供电,高电压端接HV(+310V),低电压端接LV(-20V)。负电源可抵抗回路阻抗,抑制零飘和噪声。1.2压电陶瓷执行器充放电电流控制原理图1中构成功率放大/充放电电流控制部分的功率放大单元电路如图2所示,为准互补甲乙类对称功率放大电路。因为超过300V且大功率的P沟道金属氧化物半导体(PMOS)管很难获得,功率放大/充放电电流控制部分采用多路准互补对称输出级结构,给压电陶瓷执行器提供充放电电流的回路。由图2可知,当输入控制电压上升时,供电电源经N沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应管、电阻RC1给压电陶瓷执行器充电;当输入控制电压下降时,负载经NMOS场效应管、电阻RC2和RS放电,电流的流向如图2所示。通过限流电阻RC1和RC2可设置峰值充放电电流控制单元电路峰值输出功率,防止瞬间电流过大,保证电路能正常工作和防止峰值过高的电流对压电陶瓷执行器产生损害,并且使各功率放大单元电路峰值充放电电流一致。通过高压运放驱动并联的功率放大单元能为负载提供一定的驱动电流,在R5上产生功率放大电路中场效应管导通所需4V左右的开启电压,从而抑制输出波形的交越失真。值得注意的是,由于高压运放所能承受的功率有限,应限制其提供的驱动电流的峰值,以保证高压运放工作在安全工作区内。1.3驱动电源电路采用8组三端可调稳压器串联稳压形成输出+330V的稳压源给驱动电源供电,其电路原理如图3所示。其优点是结构简单、电压输出稳定度高,能满足压电陶瓷执行器驱动电源的供电要求。2放电电流控制单元电路根据图3开发的压电陶瓷执行器动态驱动电源的实物如图4所示。在开发的驱动电源电路中,采用了4组功率放大/充放电电流控制单元电路并联。在输出级具有四组并联的NMOS管对,在这8个场效应管上分别安装散热器。通过设置合适的限流电阻,使单组传递的峰值电流为0.2A,则峰值输出功率为66W,电路可实现近270W的输出功率。这样,驱动电源不但可突破单组只能实现近100W功率输出的限制,且可分散功率的分布,有利于提高电路的可靠性。2.1输出电压响应分析驱动电源驱动压电陶瓷执行器等容性负载时可等效为RC惯性环节,可得R=V˙/I˙(1)R=V˙/Ι˙(1)T=RCP(2)A(s)=1/(Ts+1)(3)式中V˙V˙为输出电压;I˙Ι˙为输出电流;R为动态输出电阻;CP为负载等效电容;T为时间常数;s为拉普拉斯算子。图5为由式(1)~(3)绘出的频率响应曲线。由图可知,驱动电源响应等效电容为4.7μF的压电陶瓷执行器时,3dB衰减带宽约为270Hz。2.2输出电压为02.0的情况下,移的能量主要在于转台实验采用中国电子科技集团公司第26研究所生产的WTYD系列叠层型压电陶瓷执行器(其位移的最大输出达62.5μm,等效电容为4.7μF,最大驱动电压为200V)。当输入电压为0~2.5V的阶跃信号时驱动电源的输出电压波形如图6所示。由图6可知,压电陶瓷执行器动态驱动电源输出电压为150V时的上升和下降响应时间均约为1ms。2.3陶瓷执行器驱动电源输出设置驱动电源的放大倍数为20,输入控制电压为0~10V(对应输出电压为0~200V),每隔0.1V采用精度为0.1%的电压表测试驱动电源的输出。实验数据经过一次最小二乘拟合计算非线性误差得到驱动电源的最大非线性误差ΔMAX=0.1791V。驱动电源的非线性度γL=ΔMAX/VFS×100%(4)式中VFS为驱动电源的满量程输出。根据式(4)可得压电陶瓷执行器驱动电源的γL=0.0896%。可见,电源的线性度优于99.9%。2.4纹波电压测试采用高精度电压表测量压电陶瓷执行器驱动电源输出电压和纹波电压。输出电压每变化50V测量一次纹波电压,在空载条件下测试数据如表1所示。由表1可知,本文介绍的压电陶瓷执行器驱动电源的纹波小于5mV。根据实验测试和理论分析计算,压电陶瓷执行器动态驱动电源性能指标如表2所示。3压电陶瓷执行器动态驱动电源的实现在振动隔离、精密定位等情况下常需要大位移量的压电陶瓷执行器,而此种压电陶瓷执行器是通过多片压电陶瓷片按一定方式叠加而成,其负载电容可达到几十微法。本文介绍的压电陶瓷执行器动态驱动电源为满足大容性负载驱动而设计。在电路实现过程中,采用高压运算放大器结合准互补对称结构构成的输出