疊層型壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源研究
摘要：文章研究的壓電驅(qū)動(dòng)電源基于電壓控制型原理，主要由升壓調(diào)壓模塊、逆變調(diào)頻模塊和放電回路等幾個(gè)模塊組成。電源輸出頻率可調(diào)、峰值電1卡可調(diào)的方波，并針對(duì)容性負(fù)載設(shè)計(jì)了合理的放電回路，保證了壓電致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：壓電驅(qū)動(dòng)電源；升壓斬波電路：逆變調(diào)頻模塊；放電回路
O前言
根據(jù)原理的不同，壓電驅(qū)動(dòng)電源可分為電壓控制型和電荷控制型兩種。采用電壓控制的驅(qū)動(dòng)電源主要是指基于Dc—Dc變換器原理的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源，體積小、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響范圍也較窄。本文旨在前人的壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源研究的基礎(chǔ)上，采用一種應(yīng)用較少的、原理列電路進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了基于Dc—Dc變換器原理的可行性及其優(yōu)缺點(diǎn)。
1壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn)
壓電致動(dòng)器相當(dāng)于一個(gè)電容器件，它的電容量通常很大，能達(dá)到十幾微法左右。為了使壓電致動(dòng)器反應(yīng)迅速，必須有一個(gè)很高的有效電荷轉(zhuǎn)移速率，同時(shí)要考慮的是，當(dāng)壓電致動(dòng)器承擔(dān)外
部機(jī)械負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電能。特別是在動(dòng)態(tài)工作時(shí)，以電容為代表的各參數(shù)隨致動(dòng)器工作而變化的特性以及頻率相關(guān)的一些特性決定了其驅(qū)動(dòng)電源具有以下特點(diǎn)：
(1)在實(shí)際應(yīng)用中，壓電陶瓷致動(dòng)器輸出位移應(yīng)是連續(xù)的，這就要求驅(qū)動(dòng)電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)，對(duì)國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷微位移器而言，要求驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓為直流O～2()(]v連續(xù)可調(diào)：
(2)壓電陶瓷致動(dòng)器位移輸出對(duì)外加驅(qū)動(dòng)控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的大小，因此，驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力；
(3)為了適應(yīng)高頻響的要求，驅(qū)動(dòng)電源中應(yīng)有供容性負(fù)載快速放電的放電回路：
(4)由于壓電陶瓷微位移器主要應(yīng)用于微米納米技術(shù)領(lǐng)域，所以，驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓也應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)。
圖1開(kāi)關(guān)式壓電驅(qū)動(dòng)電源
本文采用Dc／Dc變換的開(kāi)關(guān)電源的原理，采用開(kāi)環(huán)控制的方式，研制了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，低成本的電路�？傮w壓電驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
選用中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十六研究所生產(chǎn)的WTYI)0808045壓電陶瓷微位移致動(dòng)器，它具有高壓應(yīng)變常數(shù)的壓電陶瓷材料，經(jīng)疊層工藝制作的壓電疊層器件。在彈性限度內(nèi)，其形變與外加電場(chǎng)近似成線(xiàn)性關(guān)系，電場(chǎng)極性改變，形變性質(zhì)發(fā)生改變(伸長(zhǎng)或縮短)。一般可以認(rèn)為S=dF。
它具有低壓靈敏度高，滯后小，老化小等優(yōu)點(diǎn)。其外型尺寸為8×8×45mm，驅(qū)動(dòng)電壓O～200V，允許施加負(fù)電壓的********值為正常工作****電壓的40％。****輸出力為500N，電容5500nF。
在施加200~電壓的情況下，****位移量為45um。
選用EAST公司生產(chǎn)的WYK3003型高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為高電壓基礎(chǔ)電源，其輸出電壓為0～3【】(】V，輸出電流為O～3A。同時(shí)選用該公司的wYK3叭0型高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源作為低電
壓基礎(chǔ)電源，其輸出電壓為O～30~，輸出電流為O～10A。這兩種穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)為電源效應(yīng)：蘭5×10。+10mv，電流效應(yīng)：曼5×10。+15mv，紋波電壓：V p曼10mV。
升壓電路采用Boost原理將低壓直流電
壓(24v)轉(zhuǎn)化為高電壓(2(】(】v以上)，并且輸出電壓可以通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。
逆變電路用于將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蚍讲妷�，利用開(kāi)關(guān)管元件實(shí)現(xiàn)斬波逆變變換。為了搭配實(shí)驗(yàn)研究，逆變后的方波頻率可以通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)。
放電回路是專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載所設(shè)計(jì)的，可以保證輸出電壓的波形，提高壓電致動(dòng)器的響應(yīng)速度，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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