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驅(qū)動(dòng)電源廠家:驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者:huan   日期:2018-11-30

李 勇1,孔春偉2,何繼愛2,孔全存3,趙 翔4

噴頭驅(qū)動(dòng)電源是壓電噴頭的核心部件之一。針對(duì)厚度剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特征,剖析了0.11~0.32 μm規(guī)模內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V規(guī)模內(nèi)近似線性增大的聯(lián)系,推導(dǎo)出致動(dòng)壁15 kHz的諧振基頻數(shù)值,結(jié)合噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)辦法時(shí)序,規(guī)劃了一種依據(jù)直流改換原理的開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源,完成了32路噴墨通道分組噴發(fā),其最大輸出電壓規(guī)?!?0 V,正負(fù)脈寬和設(shè)置時(shí)刻在15~200 μs內(nèi)在線可調(diào),單路輸出電流大于6 mA,脈寬最大差錯(cuò)小于3%。開始測驗(yàn)試驗(yàn)了該驅(qū)動(dòng)電源的可行性。

跟著傳統(tǒng)打印、工業(yè)噴繪、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)的蓬勃發(fā)展,剪切型壓電噴墨打印技能因其墨滴均勻性好,可控性強(qiáng)、衛(wèi)星點(diǎn)少等長處異軍突起,是當(dāng)今最具使用潛力的噴墨打印技能[1]。剪切型壓電噴墨打印技能中壓電噴頭結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電源是其關(guān)鍵技能,噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出鼓勵(lì)脈沖的幅值、頻率特性影響噴頭噴出墨滴的大小、速度及頻率[2]。因而,研發(fā)一種有用的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源,關(guān)于提高噴頭噴出墨滴的功能具有重要意義。

1.1 厚度剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)剪切型壓電噴頭功能及上述剖析,以PZT-5H壓電陶瓷為基材,規(guī)劃出如圖1所示的剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)。壓電噴頭致動(dòng)器主要由壓電陶瓷底座、壓電陶瓷致動(dòng)壁、非壓電陶瓷上蓋、連接膜、焊盤、帶有噴孔的噴孔板等構(gòu)成。

圖1 剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)

(a)停止態(tài) (b)容積增大態(tài) (c)容積減小態(tài)

1.2 致動(dòng)壁位移及諧振基頻剖析

為了確定電壓對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁厚度剪切振蕩時(shí)位移的影響,在圖1所示噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型的致動(dòng)壁上定義如下條件及變量:致動(dòng)壁上部涂覆銅電極;致動(dòng)壁長l、電極高h(yuǎn)、致動(dòng)壁厚w(w遠(yuǎn)小于h),致動(dòng)壁沿z方向極化,y方向施加電場,逆z方向wl面固定,順z方向wl面膠連支撐。設(shè)y方向撓度為f,則f是x、z、t的函數(shù),可得致動(dòng)壁振蕩的微分方程為:

因致動(dòng)壁長度遠(yuǎn)大于電極高度,可近似認(rèn)為致動(dòng)壁y方向撓度f不隨x的改變而改變,即f(x,z,t)=f(z,t)。

式(2)中U為驅(qū)動(dòng)電壓,r為上蓋及連接膜等效為繃簧時(shí)的繃簧系數(shù)。將邊界條件代入式(1),可得z=h時(shí),致動(dòng)壁位移S:

剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)劃與完成

依據(jù)圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型,設(shè)致動(dòng)壁厚度剪切振蕩時(shí),任一時(shí)刻撓度為:

由式(5)得撓度為:

致動(dòng)壁動(dòng)能:

依據(jù)動(dòng)能與勢能聯(lián)系Umax=Tmax,解得致動(dòng)壁諧振基頻:

經(jīng)過對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁位移及諧振基頻的理論剖析,得出PZT-5H制作的致動(dòng)壁,0.11~0.32 μm規(guī)模內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20~60 V規(guī)模內(nèi)近似線性增大;諧振基頻約為15 kHz。

2.1 致動(dòng)壁驅(qū)動(dòng)波形規(guī)劃

剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)劃與完成

一般圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器某一通道噴發(fā)墨水時(shí),相鄰?fù)ǖ酪蛑聞?dòng)壁攪擾無法一起噴發(fā)。為處理依據(jù)同享致動(dòng)壁結(jié)構(gòu)規(guī)劃的噴頭相鄰?fù)ǖ罒o法一起噴發(fā)問題,提出將通道分紅三組,選用循環(huán)替換作業(yè)的辦法,編號(hào)為1+3n的通道為A組,編號(hào)為2+3n的噴道為B組,編號(hào)為3+3n的通道為C組。某一組通道擬噴發(fā)墨滴時(shí),該組通道施加圖3中b通道上的鼓勵(lì)脈沖,相鄰兩通道別離施加a通道,c通道上的鼓勵(lì)脈沖。

針對(duì)剪切型壓電噴頭功能、致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特征、致動(dòng)壁位移在20~60 V規(guī)模內(nèi)隨驅(qū)動(dòng)電壓近似線性增大聯(lián)系、致動(dòng)壁15 kHz諧振基頻、噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)辦法時(shí)序,規(guī)劃了一種依據(jù)直流改換原理的開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源。該電源完成32路通道的分組噴發(fā),其最大輸出電壓規(guī)?!?0 V,正負(fù)脈寬和設(shè)置時(shí)刻在15~200 μs內(nèi)在線可調(diào)。剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源整體框圖如圖4所示,壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源由主控模塊、多路信號(hào)發(fā)生器模塊、功率擴(kuò)大模塊、上位機(jī)模塊等構(gòu)成。

圖4 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源整體框圖

功率擴(kuò)大模塊完成信號(hào)發(fā)生器生成信號(hào)的功率擴(kuò)大,當(dāng)擴(kuò)大后的鼓勵(lì)脈沖施加到噴墨通道焊盤上時(shí),致動(dòng)壁發(fā)生厚度剪切振蕩,導(dǎo)致墨水腔有規(guī)則地增大-減小,將墨水?dāng)D出噴孔。功率擴(kuò)大模塊選用MOS管構(gòu)建的全橋輸出擴(kuò)大電路,相鄰兩通道擴(kuò)大電路如圖5所示,功率擴(kuò)大電路由光電阻隔、MOS管驅(qū)動(dòng)、邊緣調(diào)整、功率擴(kuò)大四部分組成[12]。

圖 5 功率擴(kuò)大電路

電路中輸入信號(hào)U1、U2滿足圖3所示時(shí)序聯(lián)系時(shí),剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁充放電進(jìn)程如下:U1上升沿到來且U2為低電平,MOS管T2、T6導(dǎo)通,T3、T5關(guān)斷,20~60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T2、T6對(duì)致動(dòng)壁正向充電,致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng);U1下降沿到來且U2為低電平,MOS管T3、T6導(dǎo)通,T2、T5關(guān)斷,致動(dòng)壁經(jīng)T3和D4組成的回路正向放電,致動(dòng)壁向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。U1為低電平且U2上升沿到來,MOS管T5、T3導(dǎo)通,T6、T2關(guān)斷,20~60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T5、T3對(duì)致動(dòng)壁反向充電,致動(dòng)壁持續(xù)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。U1為低電平且U2下降沿到來,MOS管T6、T3導(dǎo)通,T5、T2關(guān)斷,壓電致動(dòng)壁經(jīng)T6和D2組成的回路反向放電,致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng),并逐步康復(fù)到初始狀況。

為了檢驗(yàn)依據(jù)直流改換原理規(guī)劃的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)踐功能,在噴頭驅(qū)動(dòng)電源試驗(yàn)設(shè)備上展開帶負(fù)載的測驗(yàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備如圖6所示,主要由噴頭驅(qū)動(dòng)電源主控模塊、多路信號(hào)發(fā)生器模塊、功率擴(kuò)大模塊、可調(diào)直流電源、示波器等組成。

圖 6 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備

為了檢驗(yàn)噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出脈沖幅值的有用性,展開了脈沖頻率固守時(shí)、不同幅值波形的測驗(yàn)試驗(yàn),試驗(yàn)中脈沖頻率、幅值輸入值別離為:15 kHz、±20 V、±40 V、±60 V。測驗(yàn)所用致動(dòng)壁容值約為470 pF。圖7為實(shí)踐測驗(yàn)波形,在電源帶負(fù)載狀況下,頻率為15 kHz時(shí),幅值為±20 V、±40 V、±60 V的脈沖,其實(shí)踐幅值與理論幅值吻合度較好,無嚴(yán)重驟變;不同幅值下正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)刻一致性杰出,但存在上升沿、下降沿略有歪斜,經(jīng)過剖析,帶負(fù)載狀況下驅(qū)動(dòng)電源電路的輸出電阻與致動(dòng)壁構(gòu)成的回路導(dǎo)致了上升沿和下降沿略微歪斜。因而,驅(qū)動(dòng)電源在15 kHz頻率下,20~60 V規(guī)模內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí),輸出脈沖幅值無嚴(yán)重失真,有用性杰出。

(a)脈沖幅值±20 V波形

(b)脈沖幅值±40 V波形

(c)脈沖幅值±60 V波形

3.2 驅(qū)動(dòng)電源脈沖頻率

±30 V、3 kHz、6 kHz、9 kHz、

剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)劃與完成

4 定論

參考文獻(xiàn)

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