压电驱动电源快速放电回路的研究 张蕊华

1、压电驱动电源快速放电回路的研究 张蕊华     摘要：为提高压电陶瓷驱动的高压精密微流量阀的频响及微流量输出控制精度，针对压电陶瓷驱动电源不能在断电后将压电陶瓷中的极化电荷迅速释放的缺点，该文在研究压电陶瓷驱动电源的过程中，设计并实现了一种新型快速放电回路，在驱动信号切断后，可快速对压电陶瓷进行放电，使其恢复初始状态，且其放电时间达到毫秒级。在完成快速放电回路特性仿真的基础上，利用所设计的压电陶瓷驱动电源及快速放电回路，对8mm×8mm×20mm、电容为23pF的压电陶瓷进行了驱动与快速放电试验测试，结果表明，该电源的快速放

2、电特性，可有效提高压电驱动微流量阀流量的控制精度及流量阀的频率响应特性。    关键词：压电陶瓷；电源；精密驱动；放电回路；微流量阀、范文中国网0引言    随着精密定位、精密驱动及精密加工技术等的发展，压电陶瓷驱动技术得到广泛应用与发展，但因压电陶瓷本身材料特性及制造等因素的影响，使压电陶瓷的迟滞、蠕变特性较明显，特别是采用压电堆陶瓷驱动的大位移、大负载精密系统中，非线性特性表现突出，如采用压电堆陶瓷进行stickslip驱动控制的系统中，当驱动信号频率过高时，容易导致明显的逆转现象，引起振动，甚至使精密运动定位

3、失效。为消除压电陶瓷非线性特性对研究对象驱动、定位等的影响，研究人员除改进材料和制造工艺外，还从控制方法等方面开展研究l_2，并取得一定效果，改善了其性能。由于压电陶瓷在电学上可等效多阶电容回路，特别是压电堆陶瓷采用多片压电陶瓷晶片叠加而成，电容较大，响应频率相对较低，特别是连接驱动电源形成驱动回路后，使时间常数变长，导致在高频应用场合受限。因此，压电陶瓷驱动电源的没计与研究成为改善压电陶瓷非线性特性的研究热点，许多研究人员就压电陶瓷驱动电源的带宽口、高速性与动态性d等方面开展了大量的研究，并取得较好成果。采用压电陶瓷驱动的微流量阀具有效应快，位移精度高及工作频率宽等优点_l673，在微流量控

4、制、大流量伺服阀的先导控制等方面，对提高伺服控制特性，减小液压元件体积等方面具有重要意义，本文在开展精密流量阀的研究中，采用压电堆陶瓷直接驱动流量阀阀芯来获得较大的阀芯位移输出。为减小压电陶瓷迟滞带来阀的非线性流量特性，设计了一种具有快速放电回路的压电陶瓷驱动电源，利用该回路减小压电陶瓷放电时间常数，对压电陶瓷进行快速放电，实现对微流量阀阀芯位移的精密控制，提高流量阀的频响特性。    1快速放电回路原理压电陶瓷作为一种电介质，将其经过预极化后来分析外加电场和其内部极化电荷间的关系。当在压电陶瓷片两极板上施加电场时，极板上电荷面密度为±，电介质

5、表面的极化电荷面密度为-+-，电介质的介电常数为e。设在无电介质时。产生的电场为E由物理学分析可以计算出压电陶瓷表面上的极化电荷面密度和电容极板上的电荷面密度。间的数量关系为一口(1)经过极化处理的压电陶瓷，当外电场撤出后有剩余极化存在，设剩余极化强度为P，则压电陶瓷表面的剩余电荷面密度为一P。压电陶瓷在。    产生的电场中可等效为一个大的电偶极子，其在外电场中的受力为FQ·E。(2)式中Q为压电陶瓷表面的极化电荷。同时压电陶瓷叠片可等效为一个弹性体，满足胡克定律为F一愚·L(3)式中：愚为压电陶瓷叠片的弹性模量；L为压电陶瓷叠片在

6、外电场的作用下的伸长量。由式(1)(3)及相关变化量可得一Q·Q+Q一Q·E+·E S(4)式中：Q为压电陶瓷剩余极化电荷Q之和；S为压电陶瓷极化面积。由式(1)(4)可看出，压电陶瓷在剩余极化电场的作用下，其压电陶瓷本身产生微小变形，伸缩幅度为L，且其大小随着极化强度的大小而变化，即压电陶瓷在驱动电源断电后，其表面仍有大量电荷存在，且该电荷能维持一段时间，从而导致压电陶瓷恢复较慢。    由电容的电学模型可知：U一U(O)Xexp(tr)(5)式中：“为放电时电容两极电压；U(0)为电容放电前初始电压；r=RC为

7、电容充放电时间常数，R为放电回路电阻，C为压电陶瓷的固有电容。    由式(6)可知，为实现对压电陶瓷快速放电，使压电陶瓷两极间电压尽快为0，就需压电陶瓷的放电回路的r小，因此设计快速放电回路主要是要尽量减小放电回路的等效阻值。    2快速放电回路电路设计根据上述快速放电原理及设计依据，经分析后选用低功耗、低补偿电压的比较器LM393，具有快速转换速率的功率场效应管IRF740、D、Dz及精密可调电阻构成快速放电回路，如图1所示。IM393是由2个精密电压比较器组成，这2个比较器的失调电压最低可达20mV，其精度

8、高，温漂低，兼容各种逻辑形式，供电电源宽(20360V)，单双电源供电为±10±180V)，输入偏置电流低(25nA)，输出电压与TTL、DTLECI MOS及CMOS逻辑系统兼容。IRF74MOSFETs具有转换快速，坚固耐用，低导通阻抗和高效益等特点。    图l中，高压运放输出电压经稳压二极管进入比较器输入端，经分压电路比较器U1A中V+<一，且在对压电陶瓷充电过程中始终保持这种状态，此时U1A输出的电平经比较后输出为低电平场效应管保持不工作状态；当高压运放输出电压下降(相当于给容性负载放电)时，u1A中+

9、60;   3试验研究与结果首先，针对所设计的快速放电回路，在Multisim环境下进行了快速放电仿真测试，通过直观的电路图捕捉环境及交互式仿真，可迅速了解电路行为，轻松设计、修改电路，借助其高级电路分析能力快速实现仿真效果，并推测实际电路的输出特性图2、3分别为100V、200V时的快速放电回路仿真曲线。    加利用所设计的驱动电源(含快速放电回路)，对8mm×8mm×20mill，电容为23 F的压电陶瓷进行了驱动与快速放电试验测试。试验选用了日本东崎公司的5位数字电流电压表DP5一PAV对不同驱动电压下压电陶瓷的放电时间进行实时测量，该电流电压表有上、中、下报警、计时、电源逆连接、超电流及电压波动保护功能等，实时测量数据值及其拟合曲线如表1和图4所示。4结束语压电陶瓷是一种电介质，等效为容性负载，其端电压不能发生跃变，在驱动电源断电后其表面存在极化电荷，导致压电陶瓷恢复慢。因此，本文在研究压电陶瓷驱动电源的同时，设计了一种快速放电回路，可使压电陶瓷极化电荷快速释放，使压电陶瓷恢复到初始状态。采用8mii1×8mm