赵轩毅，马力辉（河北大学 质量技术监督学院学院，河北保定，071000）

大功率压电陶瓷驱动电源的研究与设计

赵轩毅，马力辉
（河北大学 质量技术监督学院学院，河北保定，071000）

设计了一种新型大功率压电陶瓷驱动电源。该电源由普通的低压运算放大器以及高压三极管搭建而成。采用负反馈以及相位补偿的原理，将输入的小电压的控制信号线性放大到大电压、高功率的驱动信号，用于驱动大容量的压电陶瓷。最后通过实验对驱动电源进行了测试，结果表明该电源输出精度高，响应快，稳定性好。该电源电路简单，成本低，因此具有很高的实用价值。

压电陶瓷；驱动电源；运算放大器

0 引言

压电陶瓷是近几年发展起来的一种新型智能材料。由于其具有压电特性及由压电性而引起的机电性能，可以用它作为电能和机械能之间的换能器，其正压电效应可使压电陶瓷成为发电机（将机械能转变为电能），而逆压电效应又可以使压电陶瓷成为马达（将电能转变为机械能）。压电陶瓷驱动器就是一种利用压电材料逆压电效应制作的微驱动器，它是近年来倍受关注的新型精密驱动器，其具有体积小、推力大、定位精度高、分辨率高、频响快等优点，并且不发热，不产生噪声，己成为微机电系统中重要定位及驱动元件，在纳米技术、精密测量、微细加工、微电子和机器人等领域取得了广泛应用。

驱动控制电源是压电陶瓷驱动器的关键驱动部件，其对压电陶瓷驱动器的微位移性能影响很大，特别是机构的动态使用特性，很大程度上取决于驱动电源的动态性能，因此，压电陶瓷驱动电源技术已成为目前压电陶瓷驱动器应用中的关键技术之一。与传统电源不同，压电陶瓷电源既需要大功率、高电压输出，又需要高响应频率，传统电源无法使用，属于特种电源范畴，因此，压电陶瓷驱动电源技术也得到国内外越来越多的重视，世界各国都竞相开展对压电陶瓷驱动电源技术的研究。目前较为成熟的产品主要有德国PI公司的驱动电源以及哈工大HPV系列驱动电源。但是价格都非常昂贵，而且内部电路不公开，对于特定性能指标只能定制，周期长，对于压电陶瓷的产品的开发很不方便。

本文设计的驱动电源很大程度上解决了这些难题，电路简单，更改参数方便，响应迅速，对于压电陶瓷产品的研制能起到很大的帮助。

1 设计要求

由于驱动电源是用来驱动压电陶瓷的，而压电陶瓷建模后本身是一个很大的容性负载。因此压电陶瓷本身加上交流激励信号后基本上没有能量消耗，而所有的能量全部以内耗的形式消耗到了驱动电源上。因此当对压电陶瓷进行动态驱动时，驱动电源上的功耗将随驱动频率的增大显著增大。特别是当压电陶瓷容量较大时。驱动电源上所承受的功耗将是影响整个驱动电源设计的关键。以压电陶瓷上加正弦波性为例，驱动电源上消耗的功率如下：

U：驱动电压的有效值

f：正弦波的频率

C：压电陶瓷的容量

有些应用场合压电陶瓷的电容量很大，而动态响应过程要求也很高，比如油液管路中消振，以压电陶瓷作为驱动的开关阀等。此时驱动电源上的功耗就将很大，电源设计比较困难。比如要求驱动电源正弦输出的幅值200V，频率200Hz，压电陶瓷的电容量为10UF时，根据公式算得的驱动电源的功耗将是251.2W。

本文就是要研究一种驱动大容量压电陶瓷的驱动电源，而且此电源还具有快速的频率响应。具体设计指标如下：

1）输出电压：0~200V

2）频率要求：0~200Hz

3）压电陶瓷电容量：＜=10UF

2 设计方案

按照以上的设计要求，采取自上向下的设计方式，我们在设计中首先按功能把驱动电源分为直流稳压源和放大电路两部分。其中直流稳压电源为控制系统及放大电路提供稳定的直流电压，按电压值及用处的不同，该部分又分为低压直流电源、高压直流电源。放大电路实现电压的放大，输出具有一定驱动能力的交变电压，该部分决定着驱动电源的输出性能，是电源设计的核心部分。由于本电源要求很高的线性输出电压，且有很高的驱动能力，因此现有的高压运算放大器无法满足这一要求。本电源采用了晶体管直接进行线性放大。一般放大电路都是由输入级，中间放大级和输出级三部分构成。因此本电路设计中也针对这三级进行设计，利用晶体管分别设计出这三级然后再将三级联接起来调节。

2.1直流供电电源

在驱动电源电路中，需要用到220V，士15V三种电压值的直流电压源。直流稳压电源的性能直接影响电源的输出性能。高压直流电源+220V和士15V都是采用开关电源模块，可以简化主体电路的体积。同时此种稳压电源技术成熟。采用成熟的产品既提高了可靠性又可以简化电路的设计。

图2　.3前置级放大电路

2.2线性放大电路

线性放大电路是整个驱动电源的核心部分，也是整个设计中的最大的一个难点。

根据运算放大器的典型结构，本放大电路也主要是由三部分构成，即前置放大级、中间级以及驱动输出级，以下分别对各级进行详细的介绍。

1）前置级

从图中可以看出前置级放大电路是由普通的运算放大器OP07和一个NPN的三极管构成。为了使整个电路的线性度更好。就需要提高电路的开环放大倍数，增大电路的反馈深度。此前置级放大电路采用集成运放与三极管共射级放大电路串联的结构既可以将0到10伏的低电压放大到0到200伏，又调高了电路的开环放大倍数，从而使得闭环电路放大时的线性度更好。

2）中间级

图2　.4 中间级放大电路

中间级放大电路位于前置级和驱动输出级之间。从图中可以看出来，此中间级电路是一个共集级放大电路，即电压信号的射级跟随器。对电压没有放大作用，只是将输出电流进行放大，用于增加驱动能力。由于集电极放大电路输入电阻大、输出电阻小因此从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以此电路常常用于前置级与输出级之间，主要作用就是增加前置级输出的电压信号的驱动能力，起一个缓冲作用，以满足后面输出级的需要。

3）驱动输出级

驱动输出级直接用于驱动压电陶瓷。此驱动输出电路是一个典型的互补推挽功率放大电路。由于大功率的PNP三极管型号很少，因此本电路的下管采用了一个高压小功率的PNP管和一个大功率的NPN管复合的结构来代替PNP管。由于采用了大功率的三极管，因此电路的驱动能力很强可以满足驱动压电陶瓷的需要。

3 电路的性能测试

表3.1 静态特性测试结果

3.1静态特性测试

放大倍数设定为20，输入0到10V，输出0到200V，静态特性如下表3.1：

从表中可以看出，驱动电源静态精度很高。

3.2动态特性测试

从以上的静态测试以及动态测试结果可以看出，该电源输出精度高，响应快，稳定性好，动态特性基本上满足驱动大容量压电陶瓷的要求，且该电源电路简单，成本低，因此具有很高的实用价值，目前已经在高校实验室中应用于压电陶瓷的驱动，对于压电陶瓷产品的研制起到了很大的帮助。

以一真实的7.8UF的压电陶瓷作为负载，测试驱动电源在不同输入情况下的动态响应，输出范围均设定为0到200V。

1）阶跃响应

图3　.1 200V阶跃响应曲线

图3　.2 50HZ方波输出（峰值200V）

［1］童白诗 ，华成英等.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2000：89-115

［2］北航电工电子中心电气技术实践基础教学小组编著.电气信息技术实践基础［M］.2003：121-125

从响应曲线可以看出阶跃响应时间为2ms。

2）方波响应

3）正弦响应

The Study And Design Of High Power Supply For Piezoelectric

Zhao Xuanyi，Ma Lihui
（Technology and instrument measurement， Hebei University，Baoding，071000，China）

Design a new high power supply for piezoelectric.The power supply is made up of low voltage operational amplifier and high voltage transistor. Based on the theory of negative feedback and phase compensation，the power supply can convert the low voltage control signal to high voltage，high power drive signal，which is used to drive high capacitance piezoelectric. Finally we test the performance of our power supply according to experiment， the result show the power supply has high precision，high response and good stability.Since the design of the power supply is very simple and the cost is very low，the power supply has the high practical value.

Piezoelectric；Power supply；operational amplifier

图3　.2 200HZ方波输出（峰值200V）图3.3 50HZ正弦输出（峰值200V）

4 结论

TP23