压电陶瓷驱动技术的应用研究

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压电效应广泛应用在军工技术、工业生产和工程建设等领域,压电陶瓷阀是利用正逆压电效应制作的一种新型流体开关器件。压电陶瓷阀在驱动电源的控制作用下,能够精确控制通过阀体流体的流量。压电陶瓷阀相对于传统的电磁阀、机械阀而言,具有体积小、响应速度快、抗干扰能力强等优势,在工业生产中得到推广,尤其是成为点胶工艺中的理想控制器件。在工业点胶中,驱动电源的性能直接影响压电陶瓷阀对胶体流量控制的精度和响应速度等关键技术指标。为此,本文针对压电陶瓷阀驱动技术的应用开展深入研究,并制作用于工业点胶控制的压电陶瓷阀驱动电源。通过对压电陶瓷驱动电源的研究现状进行分析,探讨了压电陶瓷阀驱动的技术需求,确定了压电陶瓷驱动器的整体设计方案。设计了半桥电路拓扑结构的压电陶瓷驱动器主电源,基于Saber仿真软件建立了半桥变换器的开环电路模型。对所建的模型进行仿真,结果验证了理论推导的正确性,据此给出了提高半桥变换器稳态性能和工作效率的参数设计方法,为半桥变换器设计提供了理论依据。讨论了半桥变换器中功率变压器和输出滤波电感等关键参数的计算方法。采用分段线性分析法、小纹波近似分析法和伏-秒平衡条件对半桥变换器进行稳态分析,给出了输出滤波电感在连续导通模式下(CCM)和不连续导通模式下(DCM)输出、输入函数关系式。分析了半桥变换器连续工作模式下输出电感的临界值计算方法。给出了模拟闭环控制环路补偿的设计过程,并通过Saber/Simulink协同仿真,对比分析了电压反馈的模拟闭环控制和数模混合PID控制的效果,也验证了基于数模混合PID控制策略实现对半桥拓扑电路进行控制的可行性。提出了通过PWM方式控制压电陶瓷阀的设计思路。嵌入式微处理器输出PWM信号,经桥式驱动电路,实现对压电陶瓷阀的驱动操作。并根据工艺需求设计了胶棒辅助加热控制功能,能够使胶体保持恒定温度,以满足点胶平台应用需求。设计制作的压电陶瓷驱动电源,输出信号频率在100Hz~1000Hz可调,幅值在60V~150V连续可调,幅值误差小于2%,电压纹波小于输出电压的1%,满足压电陶瓷驱动电源设计技术指标需求。该压电陶瓷驱动电源工作效率高、体积小,能够替代进口产品,具有很好的应用前景。
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