一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能力可達(dá)幾十牛到幾百牛[1-2]等特點(diǎn)，使得壓電陶瓷在動(dòng)態(tài)定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)性能在很大程度上依賴于驅(qū)動(dòng)器的性能，例如驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性、帶負(fù)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(dòng)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(dòng)方式主要有電壓驅(qū)動(dòng)型、電荷驅(qū)動(dòng)型、混合驅(qū)動(dòng)型和開關(guān)驅(qū)動(dòng)型4種。由于電壓驅(qū)動(dòng)型[4-5]具有遲滯影響，不適合動(dòng)態(tài)性能要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。電荷反饋驅(qū)動(dòng)方式[6-7]能夠滿足一些動(dòng)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(diǎn)漂移等缺點(diǎn)?；旌向?qū)動(dòng)型是結(jié)合電壓驅(qū)動(dòng)型和電荷驅(qū)動(dòng)型各自優(yōu)點(diǎn)的一種驅(qū)動(dòng)方式，但是效率低、體積大。開關(guān)驅(qū)動(dòng)型[8]是一種新型驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電源，其使用效率高、動(dòng)態(tài)性能好，具有很高的實(shí)用應(yīng)用價(jià)值。
1 開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源
1.1 脈沖開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源基本組成
　傳統(tǒng)開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源基本上是由分立元件構(gòu)成的雖然基本上能實(shí)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(yùn)算放大器，可以使電路設(shè)計(jì)比較簡單，能夠比較快速高效地完成驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與制作。其工作效率高、體積小、散熱方面設(shè)計(jì)簡單，甚至不需要散熱器。PWM集成運(yùn)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(fù)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(dòng)壓電陶瓷負(fù)載。
但是一般的集成開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源只能用于開環(huán)控制壓電陶瓷，定位精度不高。在實(shí)際應(yīng)用中需設(shè)計(jì)一些反饋電路來精確控制壓電陶瓷的微位移。因此設(shè)計(jì)中采用電壓反饋式電路，在輸出級部分采用一個(gè)兩階無源LC低通濾波器。在電壓反饋通道上設(shè)計(jì)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(jìn)行比較，通過消除偏差電壓來實(shí)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(dá)到壓電陶瓷致動(dòng)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(dòng)電源硬件電路設(shè)計(jì)
　PWM集成運(yùn)算放大器體積小、效率高且抗干擾性強(qiáng)。為了確保電壓反饋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源能夠穩(wěn)定工作，精確控制壓電陶瓷位移，本設(shè)計(jì)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(dòng)電源設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)共模輸入電壓限制的放大器。反饋點(diǎn)是從Output A和Output B輸出端取得，而不是從負(fù)載取得的。PWM方式反饋點(diǎn)在理論上也可以從負(fù)載選取，但在實(shí)際中卻不行，因?yàn)橛蔀V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(diǎn)與負(fù)載取得的反饋點(diǎn)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(jì)會使這種損耗變得非常低。雖然MSK4223每半個(gè)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(shí)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(gè)高速精密運(yùn)算放大器，它對于任何所需的直流增益可以運(yùn)行，在反饋設(shè)計(jì)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(dòng)MSK4223，從而形成閉環(huán)控制。使積分放大器A1的時(shí)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(dòng)負(fù)載。
2 脈沖開關(guān)型驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。整個(gè)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(shí)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(jì)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(diǎn)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常可以達(dá)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(shí)，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(jì)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?yàn)槠潇o態(tài)功耗低、發(fā)熱少，不需要安裝多個(gè)散熱模塊。
3 脈沖開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果
　由于設(shè)計(jì)是以PWM放大器為核心的開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(fù)載，為了測試開關(guān)型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源動(dòng)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(shí)間大約為150 μs。

　驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)應(yīng)用場合越來越多，通過分析目前使用的驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)性能好的PWM壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，使用效率提高到80%以上，有效輸出帶寬可以達(dá)到2 kHz，體積小，集成度也有了明顯提高。
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