跟着科学技能的开展和研讨范畴的不断扩展，人们研讨的操作目标从微观范畴逐渐深化到了微观范畴，而且许多范畴越来越需求高速动态纳米定位体系，如微纳制造、微电子制造、轿车工业、生命科学、超精细加工与丈量和纳米精细定位的光刻技能等。压电陶瓷是一种微驱动资料，具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热、输出有用频带宽、运用寿命长、位移精度十分高、驱动才干可达几十牛到几百牛[1-2]等特色，使得压电陶瓷在动态定位范畴的运用越来越广泛。压电陶瓷的动态功能在很大程度上依赖于驱动器的功能，例如驱动电源的安稳性、带负载才干、运用功率、输出有用带宽以及输出纹波等。因而，驱动电源的功能决议着纳米定位体系的功能[3]。压电陶瓷的驱动办法首要有电压驱动型、电荷驱动型、混合驱动型和开关驱动型4种。因为电压驱动型[4-5]具有迟滞影响，不适合动态功能要求较高的运用范畴。电荷反应驱动办法[6-7]能够满意一些动态功能要求较高的环境，呼应速度快，迟滞削减，但存在低频安稳性差、在静态作业下电荷走漏大，非线性以及零点漂移等缺陷。混合驱动型是结合电压驱动型和电荷驱动型各自长处的一种驱动办法，可是功率低、体积大。开关驱动型[8]是一种新式驱动办法，进步了运用功率。因而，针对现在运用的压电陶瓷驱动电源存在的运用功率低、体积大等问题，本文提出了一种PWM开关型压电陶瓷驱动电源，其运用功率高、动态功能好，具有很高的有用运用价值。
1 开关型驱动电源
1.1 脉冲开关型驱动电源根本组成
传统开关型驱动电源根本上是由分立元件构成的尽管根本上能完结对输入信号的脉宽调制，但因为分立元件作业不安稳，电路杂乱、功率低，而运用PWM集成运算扩大器，能够使电路规划比较简略，能够比较快速高效地完结驱动电源的规划与制造。其作业功率高、体积小、散热方面规划简略，乃至不需求散热器。PWM集成运算扩大器用模仿输入信号作为调制信号，经过内部的锯齿波调制电路将模仿信号再转换成所需的PWM信号，终究经过内部的桥式扩大电路输出，向负载供给输出信号，输出电压跟着供电电压的增大而增大，频率与输入信号相同。输入信号经过PWM集成扩大器扩大之后，输出调制脉冲信号，再经过LC低通滤波电路处理，LC滤波将脉冲信号解调为模仿信号之后，便可直接驱动压电陶瓷负载。
可是一般的集成开关型驱动电源只能用于开环操控压电陶瓷，定位精度不高。在实践运用中需规划一些反应电路来准确操控压电陶瓷的微位移。因而规划中选用电压反应式电路，在输出级部分选用一个两阶无源LC低通滤波器。在电压反应通道上规划带有积分式低通有源滤波器的差分扩大器。选用无源滤波器首要是考虑到从PWM模块反应的脉冲扩大信号经过电阻分压器之后得到的是电压小信号。另一方面是将反应的脉冲信号解调之后的模仿信号与输入操控小信号作比较。终究，差错积分器对滤波后的反应电压和输入信号进行比较，经过消除误差电压来完结电压反应的准确操控，以战胜电源电压和温度等一些参数改变对输出电压的影响。电压反应式电路操控压电陶瓷两头的电压终究到达压电陶瓷致动器微米乃至纳米级的精细定位。
由图1可得电感与两头电压之间的关系为：
1.3 开关型驱动电源硬件电路规划
PWM集成运算扩大器体积小、功率高且抗干扰性强。为了保证电压反应式压电陶瓷驱动电源能够安稳作业，准确操控压电陶瓷位移，本规划选用以MSK4223为中心的PWM扩大器，经过电压反应环来准确操控压电陶瓷位移。电压式反应式开关型压电陶瓷驱动电源规划电路如图3所示。
输出电压能够经过电压反应检测。因为Output A和Output B输出的是大电压信号，因而，需求经过电阻分压器下降检测电压之后，小信号扩大器才干处理。输出的电压信号经过由电阻R6和R8、R9和R10构成的电阻分压器之后能够缩小为本来的1/10，因而，驱动电源的反应电压增益为-10 V/V。A2的同相输入端上，经过电容C4、C5与电阻R5、R7组合，构成一个二阶的20 kHz的积分低通滤波电路，反相输入端，C2、C3与R3、R4同理。A2是一个共模输入电压约束的扩大器。反应点是从Output A和Output B输出端获得，而不是从负载获得的。PWM办法反应点在理论上也能够从负载选取，但在实践中却不可，因为由滤波元件所发生的相移会使得闭环安稳性变得很低。从输出获得的反应点与负载获得的反应点之间的差异就相当于由滤波电感发生的损耗。因而好的滤波规划会使这种损耗变得十分低。尽管MSK4223每半个H桥中都有感应电流的才干，因为选用的是电压反应式，因而电流检测引脚衔接在一起，直接接地。为了MSK4223完结100%调制，积分器A1的输出有必要保证在1.25 V~3.75 V之间。A1是一个高速精细运算扩大器，它关于任何所需的直流增益能够运转，在反应规划中当作积分器运用。A2的输出信号能够供给所需的输入电压来驱动MSK4223，然后构成闭环操控。使积分扩大器A1的时间常数足够快，以尽可能供给所需带宽的频率呼应，循环的准确性靠高增益来保证。总归，积分扩大器A1和差分扩大器A2将输入操控信号转变为对应的脉冲扩大信号。MSK4223经过内部比较器将积分扩大器输出的信号与斜坡电压作比较来发生占空比信息。Output A和Output B输出的信号经过LC低通滤波器将脉冲扩大信号从头解调成正弦信号来驱动负载。
2 脉冲开关型驱动电源功率剖析
PWM开关型扩大器具有运用功率高、节约本钱和体积小等一系列特色。整个电路首要的损耗就会集在场效应管（或三极管）元件开关损耗和导通时饱满压降引起的损耗。因而能够经过公式剖析扩大器内部运用功率与功耗。此次规划选用的是全桥开关型扩大器，为了直观剖析功率，运用半桥输出电路，全桥输出电路扩大器内部功率损耗是半桥输出电路的两倍，如图4所示。
MSK4223扩大器内部的功率损耗为：
经过式（11）可知，输出电压VO越挨近供电电压VS，功率就会越高。PWM扩大器的长处便是输出总是挨近供电电压或许挨近于零。因为在输出电压的过程中压降很小，因而，开关扩大器的功率要比线性扩大器高。PWM扩大器的输出功率值一般能够到达80%～95%。尽管PWM开关扩大器的技能现在相对还不老练，但当线性扩大器和PWM扩大器传送最大输出时，它们的功率几乎是相同的。典型来说，在输出电流附近的情况下，比较线性扩大器来说，PWM扩大器大约只要1/3或许更少的压降。静态功耗仅仅整体功率的一小部分。功耗的核算只包含输出电流和扩大器一切的阻抗。别的，PWM开关扩大器能够改进体积和硬件本钱，进步便携性，因为其静态功耗低、发热少，不需求装置多个散热模块。
3 脉冲开关型驱动电源试验研讨与成果
因为规划是以PWM扩大器为中心的开关型压电陶瓷驱动电源全桥办法输出，因而，AOUT-BOUT电压经LC低通滤波后的电压即为压电陶瓷两头的电压，而且为悬浮电压。选用隔离差分探头进行丈量，保证更准确丈量压电陶瓷两头电压信号并传送到示波器的输入端。因为压电陶瓷相当于容性负载，为了测验开关型压电陶瓷驱动电源动态功能和最大有用带宽，运用高精度的CBO%&&&&&%来模仿压电陶瓷。对该电源输入阶跃信号，对应的阶跃呼应如图5所示。上升时间大约为150 μs。
驱动电源调制后的输出脉冲是一些不同占空比的波形。图6给出了2 kHz时占空比为90%的波形，反应积分差分扩大器的截止频率是20 kHz，理论上，PWM模块能够调制至少10 kHz的输入正弦信号，但因为反应元件参数较难匹配，跟着输入正弦信号频率的添加，终究跟从输入正弦信号的输出扩大信号调制频率为2 kHz。
压电陶瓷的动态运用场合越来越多，经过剖析现在运用的驱动电源存在的运用功率低、体积大等问题，提出了一种运用功率高、动态功能好的PWM压电陶瓷驱动电源，运用功率进步到80%以上，有用输出带宽能够到达2 kHz，体积小，集成度也有了明显进步。
参考文献
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