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高频响低纹波压电陶瓷驱动电源研究

作　者: 王志亮
导　师: 黄向东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 压电陶瓷驱动电源 控制信号产生 高速数据采集 微定位平台
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


微定位技术是纳米工作台中的关键技术。压电陶瓷以逆压电效应来产生微位移,它具有体积小、位移分辨力高、频响高、不发热的特点,是理想的微位移器件。超精密微定位校准实验平台以压电陶瓷为核心来实现微定位,它不仅应具备高的定位精度,同时应有高的频率响应速度,以满足高速的和精确的定位。压电陶瓷的定位精度与频率响应特性与对其供电的驱动电源有直接关系,因此,研制一款高频响低纹波的压电陶瓷驱动电源,是整个微定位平台的关键。本文在对国内外的压电陶瓷驱动电源原理方法的优缺点进行了分类对比之后,分别选用误差放大式和高压运放式原理,设计实现了高频响低纹波的压电陶瓷驱动电源,同时完成了实验平台中信号产生部分和数据采集部分程序的编写。本文的主要研究内容如下:1.基于误差放大的高频响压电陶瓷驱动电源为使压电陶瓷的输出位移具有高频响应特性,要求驱动电源具有大电流、高电压输出特性,为此设计并实现了由分立元件构成的误差放大式压电陶瓷驱动电源,并在功率放大环节采用了四路并联输出的电路结构,增大驱动电流以实现对压电陶瓷的快速驱动。经测试,驱动电源在最大电压幅值(120V)时的频响可达1kHz,电源最高频响为2.4kHz。2.压电陶瓷驱动电源静态特性研究驱动电源在额定负载(容性)时的频响和纹波指标与实验平台是否具有高频响和高精度特性直接相关。通过深入分析纹波产生的原因,指出影响纹波的主要因素是前向电路中误差放大电路的输入失调电压,并通过理论计算获得了输入失调电压的最优值。实验表明,驱动电源在其输出电压范围内纹波可控制在5mV以下。此外,采用反馈零点补偿方式,增加了电路在驱动容性负载时的稳定性,仿真及实验验证了设计的正确性。3.驱动电源控制电路电路以FPGA为主控芯片,控制数模转换器完成信号的产生。使用Verilog语言编程,实现了正弦波、方波、三角波和直流信号的输出。在此基础上,研发了驱动控制系统,课题中使用Labwindows软件,完成了对研华PCI-1716卡的数据采集程序设计。可实现单通道或双通道采样、采样数据的保存、采样信号的波形显示、信号频率及幅值显示等功能。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 压电陶瓷的驱动控制方法分类  12-14
    1.3.1 电压控制型压电陶瓷驱动电源  12-14
    1.3.2 电流/电荷控制型压电陶瓷驱动电源  14
  1.4 课题主要研究内容  14-16
第2章 压电陶瓷位移台系统驱动控制方法  16-25
  2.1 引言  16
  2.2 超精密微定位校准实验平台系统构成  16-18
  2.3 驱动电源控制模块原理设计  18-19
  2.4 压电陶瓷驱动电源原理  19-22
  2.5 线性直流稳压电源的改进  22-24
  2.6 本章小结  24-25
第3章 压电陶瓷驱动电源电路设计  25-36
  3.1 引言  25
  3.2 压电陶瓷驱动电源主体电路  25-34
    3.2.1 误差放大级电路  25-26
    3.2.2 电压跟随及隔离反相电路  26-29
    3.2.3 功率放大级电路  29-30
    3.2.4 反馈补偿环节电路  30-34
  3.3 压电陶瓷驱动电源保护电路  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章 微定位校准实验平台软件设计  36-45
  4.1 引言  36
  4.2 FPGA电路信号发生程序实现  36-40
    4.2.1 DDS模块介绍  36-37
    4.2.2 波形数据产生及累加器模块设计  37-39
    4.2.3 控制模块设计  39-40
  4.3 校准实验平台数据采集软件  40-44
    4.3.1 PCI-1716 卡功能简介及其与Labwindows的通信  41
    4.3.2 数据采集程序设计  41-43
    4.3.3 程序的附加功能  43-44
  4.4 本章小结  44-45
第5章 实验及分析  45-58
  5.1 引言  45
  5.2 纹波实验  45-48
    5.2.1 纹波定义与指标形式及其测试方法  45-46
    5.2.2 误差放大式压电陶瓷驱动电源纹波实验  46-47
    5.2.3 PD-II型压电陶瓷驱动电源纹波实验  47-48
  5.3 分辨力实验  48-49
  5.4 稳定性实验  49-50
  5.5 频率响应及阶跃响应实验  50-53
    5.5.1 响应时间的定义及其测试方法  50
    5.5.2 误差放大式压电陶瓷驱动电源动态特性实验  50-52
    5.5.3 PI公司E-753.1CD型PZT驱动电源动态特性实验  52-53
  5.6 微定位平台动态特性实验  53-57
  5.7 展望  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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