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1卡可调的方波，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，采用一种应用较少的、原理列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O～2()(]v连续可调：

    (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。

 

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WTYI)0808045压电陶瓷微位移致动器，它具有高压应变常数的压电陶瓷材料，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=dF。

它具有低压灵敏度高，滞后小，老化小等优点。其外型尺寸为8×8×45mm，驱动电压O～200V，允许施加负电压的********值为正常工作****电压的40％。****输出力为500N，电容5500nF。

在施加200~电压的情况下，****位移量为45um。

    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0～3【】(】V，输出电流为O～3A。同时选用该公司的wYK3叭0型高精度稳压稳流电源作为低电

压基础电源，其输出电压为O～30~，输出电流为O～10A。这两种稳压电源的技术指标为电源效应：兰5×10。+10mv，电流效应：曼5×10。+15mv，纹波电压：V p曼10mV。

    升压电路采用Boost原理将低压直流电

    压(24v)转化为高电压(2(】(】v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。

 

    图2本文所用到的压电驱动系统结构示意图

2 Boost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 FB力场效应管，MOsFET的开关时间在10～100ns之间，其工作频率可达100kHz以上旧：

    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㈣(ccM)。ccMⅢl_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****输出功率上有优势，因此，按ccM工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120~。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32mv左右。

 

 

  3放电回路研究

图5输出电压的纹波波形

    由于一般情况下驱动电源是单向的，因此回收电能存在一定难度，因此通常设计放电回路使得电场能快速的得到释放。

    放电回路的电路图如图6所示。放电电路的工作原理：比较器LM324、开关管M2、R1、R2、R4、R5和D4、D5一起构成了快速放电回路。其中R1、R2、R4、R5是检测电阻，它们应满足R1R2=R4R5，且阻值都很大，以至于压电陶瓷致动器对它们的放电可以忽略不计。LM324为比较器，当电源电路的输出电压增加(相当于给容性负载充电)时，LM324的两输入端有u一>u+，LM324输出为负，开关管M2截止，放电回路不起作用，对整个电路没有任何影响。当电源电路输出电压下降(相当于给容性负载放电)时，LM324的两输入端有u+>u一，则LM324输出为正，使开关管M2导通，压电陶瓷致动器通过M2和R卜r夹速放电。

    环境下搭建放电回路，如图6所示。仿真中，由于压电致动器呈备性，故这里以电容作为它的近似模型，然后对电路进行瞬态仿真分析，电路的仿真结果如图7，图8所示。图7输入电压的方波波形(相当于前面回路输出的逆变后的方波)，方波峰值为150v，频率为1 67KHz；图8电

 

                             图6放电I旦I路仿真电路

容两端的电压。

从图8中，可以看出电容上的电压在7lus的时间内从高电平F降为O，说明电容上的电荷篚够得到快速的泄放。说明所设计的电路能够实现快速放电的功能，有利于压电致动器的动态性能的实现。

 

为了验证前面所设计的B00st升压回路的性能，采用EAsT公司的wYK3010型高精度稳压稳流电源作为低压基础电源(输出电压为0～30v，输出电流为0～10A)，搭配升压电路、逆变电路和放电回路进行压电致动器的动实验。

 

    实验波形如图所示，其中图9为压电致动器泄放电荷所需的时间，为2【J(]us；图10为B()(]st电路输出的波形(上)与压电致动器两端的电压波形(下)。

通过与前面采用高压电源进行的充放电实验相比较，可以看出Boost电路搭配逆变调频、放电回路能够实现对压电致动器的动态驱动。

 

5结语

    本文给出了压电驱动器电源电路设计方法，对压电驱动器电源特眭进行了初步的实验研究。该电源经过静动态实验验证具有良好的静，动态特性指标。实验研究结果证明该电源电路满足压电致动器的一般要求，并为以后的进一步研究打下一定的基础。