高精度大功率压电陶瓷驱动关键技术

压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移系统中的关键部件。以高压功率放大器PA93为核心,提出了一种新型高精度、大功率压电陶瓷驱动电源,适合驱动大行程、大推力压电陶瓷致动器。重点阐述了电路的设计方案,对复合放大电路进行了特性分析。实验结果表明,该驱动电源具有精度高,输出电压高,电流大,稳定性好的特点。当驱动等效负载电容为24 μF的压电陶瓷时,在0~100 Hz频率范围内实现了0~10 V信号到0~100 V信号的动态放大,输出电压精度优于3×10-5,最大输出电流350 mA。     

一种高压压电陶瓷驱动电源的设计

为了满足压电陶瓷在振动平台微位移测试系统中输出更大范围的微位移及保持更高精度的条件,设计了一种高压大电流、带有直流偏置可连续调频调幅的正弦波输出压电陶瓷驱动电源。该文介绍了该驱动电源的设计方案、关键电路设计、控制系统软件设计及实验测试。该驱动电源以全桥逆变电路、隔离直流-直流抬压电路为核心,采用电压、电流双闭环比例-积分控制正弦脉宽调制(SPWM)波的基波来调节输出电压。通过搭建实验平台,验证了当压电陶瓷电容为5μF时,该驱动电源能实现在5 Hz～1 kHz频响内电压100倍增益放大,输出0～1 000 V的动态正弦电压,最大输出功率达到7 kW。结果表明,设计的压电陶瓷驱动电源具有输出电压高,输出功率大,频率响应快,且减小了电源整机体积和质量。     

一种误差放大式压电陶瓷驱动电源的研制

介绍了压电陶瓷驱动电源的特点,研制了一种改进的误差放大式压电陶瓷驱动电源。该驱动电源采用串联型稳压电路生成直流高压,误差反馈控制电压取自受控压电陶瓷上的电压。通过增加反馈电容与隔离电阻来补偿负载电容带来的系统外部极点。实验证明,在3.13μF负载下该驱动电源输出峰值电流可达700mA,动态响应频率可达1kHz,纹波小于20mV,线性度高,稳定性好,结构简单,造价低。     

一种压电陶瓷执行器动态驱动电源

针对压电陶瓷执行器呈现强容性负载的特性,该文研究了基于误差放大原理的压电陶瓷执行器动态驱动电源,提出采用高压运算放大器结合准互补对称功率放大电路构成的输出级以提高驱动电源的输出电压范围的方法和采用多组准互补对称功率放大电路构成的输出级并联以提高输出峰值功率的方法。通过对实际电路的测试表明,采用上述方法开发的压电陶瓷执行器动态驱动电源不仅输出功率达270 W,且具有良好的静态性能。     

宽带变压器在压电陶瓷驱动电源中的应用

受高压功率器件的限制,目前市场上压电陶瓷高压驱动电源较少且价格贵。变压器能够实现电压和电流的变换,合理的设计可使其在较宽的频率范围内保持良好的频率响应特性。该文研究了一种基于音频变压器的压电陶瓷高压驱动电源的实现方式,并进行了相关实验,实现了一种空载时-3 dB带宽达4 Hz~380 kHz、输出电压峰 峰值达600 V的驱动电源,可在20 kHz的频率下满负荷驱动2.5 nF的容性负载。     

基于Buck电路的压电陶瓷脉冲驱动电源研究

为提升传统压电陶瓷驱动电源的效率与动态性能,以双N型金属 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）降压拓扑为基础,设计了一种新颖的压电陶瓷脉冲驱动电源方案,并进行了理论分析与实验验证。电源系统中主电路对输入高压进行降压调节,采样网络实时地检测压电陶瓷的驱动电压与电流,通过闭环控制对输出电压进行调节。同时,为使压电陶瓷驱动电源具有良好的自动调节能力,引入了模糊比例 积分 微分(PID)控制算法,提高了驱动电源的动态性能。     

基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源

恒流源压电陶瓷驱动电源具有结构简单及频响好等优点,但静态功耗高是其突出缺点。该文提出了一种改进的恒流源压电陶瓷驱动电源,在静态功耗一定的情况下,提高了其动态输出能力及竞争能力。该改进型压电陶瓷驱动电源的样机具有2.4~300V的输出电压范围,在静态恒定电流为0.1A时,动态输出电流最大可达0.44A。基于恒流源的高压驱动电源,驱动电压主要由驱动管的耐压决定,原理上可得到远高于现有高压运放的水平,在高压压电陶瓷驱动方面有广阔的前景。     

压电陶瓷驱动器电源温度控制系统研究

性能良好的驱动电源是实现压电陶瓷驱动器高精度定位的关键.基于集成高压运算放大器的直流放大式压电陶瓷驱动电源,具有集成度高,体积小,可靠性好等突出优点;但运放的发热问题,是影响其应用和发展的一个重要因素.对一种基于PA93功率运算放大器的压电陶瓷驱动电源,进行了实验性的研究,采用半导体制冷片和ALT-PT100贴片式温度传感器构成温度闭环控制系统,通过改变制冷片外加电源的极性和电压大小,将集成高压运算放大器的工作温度控制在一定范围内,可有效降低压电陶瓷驱动电源输出电压的纹波到7.8 mV,提高了电源输出电压的精度.找到了温度对电源输出电压精度影响的规律,为如何进一步提高压电陶瓷驱动电源输出电压的精度,实现压电陶瓷驱动器高精度的定位控制,提供了科学的方法和依据.     

一种数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源

设计了一种用于驱动数字共焦显微仪压电陶瓷物镜驱动器,实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源,由单片机系统、前级高压稳压电路、数控电位器、功率放大电路、高压稳压电源和放电回路组成。采用前级高压稳压代替电压放大级作为输入,通过高分辨率的数控电位器调节,经功率放大和放电回路后驱动压电陶瓷驱动器。该驱动电源输出电压稳定,数控可调且随输入电压呈线性变化,可实现对电压精密控制,适用于驱动压电陶瓷等容性负载。     

基于MC34063控制的压电陶瓷泵电源研制

针对应用于输出电压较小(12～18 V)的燃料电池系统中压电陶瓷泵的驱动问题,在建立压电陶瓷泵的数学模型的基础上提出并研发了一种新的压电陶瓷泵驱动电源.该电源采用MC34063控制芯片控制Boost变换器升压和全桥变换器功率放大,给压电陶瓷泵提供±150 V方波电压,并使陶瓷泵工作在很宽的频率范围(10～100 Hz).对一压电陶瓷泵的特性实验的研究表明此新型驱动电源输出精度高,响应速度较快,驱动能力强.     

低功耗自供电压电能量管理电路的研究

为了提高压电能量采集系统的采集效率,该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路.采用基于并联同步开关感应(P-SSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率,降低整流电路上的导通损耗;采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器,实现能量的高效采集存储.仿真结果表明,在模拟输出电压幅值为20 V时,该整流电...     

宏微压电驱动器的电源设计与试验

针对超声电机与压电微驱动器对驱动电源的要求,设计出一种既能驱动超声电机又能驱动压电微驱动器的驱动电源,该驱动电源由可调变压器、半桥模块及以高性能数字信号处理(DSP)芯片TMS320F28335为核心的控制器组成。该电源驱动超声电机时,电源输出相位差、频率均较大范围连续可调的二相超声频率交流电;驱动压电驱动器时,电源输出较大范围连续可调的直流电。对行波型旋转超声电机及钹型压电驱动器的系列驱动试验表明该电源能同时满足超声电机和压电驱动器的驱动要求。     

A self-powered piezoelectric energy harvesting interface circuit with efficiency-enhanced P-SSHI rectifier

The key to self-powered technique is initiative to harvest energy from the surrounding environment.Harvesting energy from an ambient vibration source utilizing piezoelectrics emerged as a popular method.Efficient interface circuits become the main limitations of existing energy harvesting techniques.In this paper,an interface circuit for piezoelectric energy harvesting is presented.An active full bridge rectifier is adopted to improve the power efficiency by reducing the conduction loss on the rectifying path.A parallel synchronized switch harvesting on inductor (P-SSHI) technique is used to improve the power extraction capability from piezoelectric harvester,thereby trying to reach the theoretical maximum output power.An intermittent power management unit (IPMU) and an output capacitor-less low drop regulator (LDO) are also introduced.Active diodes (AD) instead of traditional passive ones are used to reduce the voltage loss over the rectifier,which results in a good power efficiency.The IPMU with hysteresis comparator ensures the interface circuit has a large transient output power by limiting the output voltage ranges from 2.2 to 2 V.The design is fabricated in a SMIC 0.18μm CMOS technology.Simulation results show that the flipping efficiency of the P-SSHI circuit is over 80％ with an off-chip inductor value of 820 μH.The output power the proposed rectifier can obtain is 44.4μW,which is 6.7× improvement compared to the maximum output power of a traditional rectifier.Both the active diodes and the P-SSHI help to improve the output power of the proposed rectifier.LDO outputs a voltage of 1.8 V with the maximum 90％ power efficiency.The proposed P-SSHI rectifier interface circuit can be self-powered without the need for additional power supply.     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

压电致动器双向电源研究

提出并研究了一种压电致动器电源，它可以实现对压电致动器的从负电压到正电压的双向电压作用，且作用电压可以很高并可不间断连续作用。该电源具有易于实现压电致动器输出自动控制和输出范围大的特点，适宜逆压电效应为基本原理的压电器件在以静态位移输出为主要目的的场合应用。文中论述和分析了这种电源的工作原理和电路实现方法，推导出理论计算公式，并给出了实验结论与应用情况。     

Increasing the bandwidth of the width-split piezoelectric energy harvester

A new method to maximize the output power of a piezoelectric energy harvesting system has been previously proposed by the authors. This can be achieved by reducing the mechanical damping through folding a given piezoelectric material equally and splitting it into smaller width. Experimental results have shown that the power harvested increases when the number of fold increases but with the trade off the optimal operating frequency range, which is referred as the bandwidth. This paper aims to improve the bandwidth by modifying the natural frequency of each split piezoelectric material and connecting them in parallel. Experimental results show that the bandwidth increases as the difference between the natural frequency of the reduced-width piezoelectric materials increases. Although these results are with trade off in reducing output power gain, the gain in the bandwidth per unit output power reduction is still increasing. This shows that the maximum output power of the harvesting system can be ensured with the width-splitting method and the bandwidth of the output can be widened by increasing the difference between the natural frequencies of the participating piezoelectric elements. This maximization method with wideband feature can be implemented at microscopic stage to be incorporated in the microelectronics devices such as MEMS.     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

双晶片压电驱动器的研究

为实现较大的驱动力和速度,提出一种新型压电驱动器,研究了驱动器输出性能随压电泵工作腔数、频率的变化规律。制作驱动器,分别进行十腔串联压电泵/五腔压电泵并联、3~5个压电振子工作、50~400 Hz频率下的输出试验。结果表明,压电泵并联时驱动器的最佳输出功率较大;工作的振子数目不同,存在不同的最佳频率使驱动器的输出速度最大,相同的频率使输出推力最大;最佳频率时,驱动器的输出与工作的振子数目呈正比。在150V、380Hz时驱动器输出功率最大,此时输出速度和推力是10.72mm/s、57.7N。     

基于MCU控制的高压开关电源

针对压电陶瓷驱动电源的应用设计了一种基于单片机(MCU)控制的高压开关电源,实现了低压(9～18 V)输入下的高压(150 V)输出。电路主回路采用准谐振反激变换拓扑结构,MCU芯片控制脉宽调制(PWM)电源管理芯片完成变换器升压,并驱动H桥逆变电路输出频率可调的方波电压。数字控制的高压开关电源工作波形稳定,尖峰噪声小,输出电压精度高。实验结果验证了高压开关电源的性能。