摘 要： 壓電陶瓷驅(qū)動電源是壓電式噴墨打印機(jī)的核心部件。提出了壓電陶瓷驅(qū)動電源的電路設(shè)計(jì)方法,，將整個驅(qū)動電源分為低壓控制和高壓放大兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì),，并給出了設(shè)計(jì)框圖,。
??? 關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷；高壓脈沖,；驅(qū)動電源
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打印機(jī)是計(jì)算機(jī)輸出的重要外部設(shè)備,，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的飛速發(fā)展,，打印機(jī)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是非擊打式打印機(jī)發(fā)展更快,，其中噴墨打印機(jī)以其獨(dú)到的優(yōu)勢越來越受到青睞。目前國內(nèi)所使用的壓電式噴墨打印機(jī)成本相對較高,，其驅(qū)動電源在國內(nèi)的技術(shù)還不成熟,，主要依靠進(jìn)口的電源。因此,，若能開發(fā)出與壓電式噴墨打印機(jī)配套的壓電陶瓷驅(qū)動電源,，不僅在技術(shù)上有很大的創(chuàng)新性，而且還會有非常大的市場前景[1],。
當(dāng)某些各向異性的晶體材料承受外部的機(jī)械力作用時(shí),，其相應(yīng)的表面會出現(xiàn)電荷，這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng),。反之當(dāng)這種晶體置于電場下時(shí),，晶體會出現(xiàn)幾何變形，這被稱為逆壓電效應(yīng),。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,。壓電陶瓷是壓電材料中的一種，是能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料[2],。
1 基于壓電陶瓷驅(qū)動電源的噴墨打印機(jī)工作原理
??? 圖1為基于壓電陶瓷驅(qū)動電源的噴墨打印機(jī)工作原理圖,。
??? 當(dāng)壓電式噴墨打印機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行打印工作時(shí)，首先通過上位機(jī)控制蠕動泵,，將墨盒中的墨水按照打印的需求,，以不同的比例，經(jīng)過過濾器后抽到打印噴頭,。同時(shí),，再通過上位機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動電源的工作，使其能根據(jù)用戶的需要控制打印頭的運(yùn)動和噴射行為,，最終打印噴頭將不同顏色的墨水噴射到一個盡可能小的點(diǎn)上,，而大量這樣的點(diǎn)便形成了不同的圖案和圖像。打印噴頭上一般都有48個或48個以上的獨(dú)立噴嘴,，每個噴嘴又能夠噴出3種以上不同的顏色：藍(lán)綠色,、紅紫色、黃色,、淺藍(lán)綠色和淡紅紫色,。一般來說，噴嘴越多,，完成噴墨過程就越快,，也就是打印速度越快,，這些噴出來不同顏色的小墨滴落于同一點(diǎn)上，形成不同的復(fù)色,。
??? 適用于噴墨打印機(jī)的壓電陶瓷高壓脈沖驅(qū)動電源,，它可以在同步脈沖有效時(shí)刻輸出所需的高壓脈沖，且該脈沖可根據(jù)所配套的控制軟件進(jìn)行編程,，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置輸出脈沖波形參數(shù),、調(diào)整波形特性。不同參數(shù)和特性的高壓脈沖,，不僅可以控制打印噴頭的位移,，還可以控制噴頭內(nèi)的壓電陶瓷體的變形度，從而達(dá)到在不同的位置,，噴射不同的墨水,，以及墨水量的大小。
2 壓電陶瓷驅(qū)動電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 壓電陶瓷高壓脈沖驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
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??? (1)工作電源：為驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)備內(nèi)部各元件的正常工作提供所需的電壓幅值,，設(shè)定為5 V和
±15 V 3種電壓，供電電流要求在每種電壓下均有1 A電流的負(fù)載能力,，紋波要求小于1%,。
??? (2)高壓直流輸入電源：用于將輸出脈沖的幅值提高到驅(qū)動壓電陶瓷所需的電壓幅值，設(shè)定為130~150 V,；為保證能達(dá)到用戶設(shè)定的電壓值,，高壓直流電源要求能在滿負(fù)荷輸出的情況下保證至少有20 V的電壓裕量，高壓直流電源要求與控制電源隔離,，紋波要求小于3 %,。
??? (3)通信端口：是壓電陶瓷驅(qū)動電源與主控軟件和上位機(jī)相互通信的接口。
??? (4)同步脈沖信號：是主控系統(tǒng)給出的系統(tǒng)同步信號輸入端,，為數(shù)字邏輯信號,，支持最大同步脈寬12 ?滋s，高電平有效,，典型高電平電壓閾值為5 V,，該同步脈沖需要提供5 V幅值且有5 mA的負(fù)載能力。
??? (5)高壓輸出脈沖：為壓電陶瓷驅(qū)動電源輸出到負(fù)載的高壓激勵脈沖,，各個通道的脈寬均由同步脈沖的寬度來確定,。脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間各個通道保持一致，可以通過主控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)修改,。各個通道的脈沖幅值可以分別調(diào)節(jié),，調(diào)節(jié)范圍在60～120 V[3]之間。
3 壓電陶瓷驅(qū)動電源電路
??? 在進(jìn)行壓電陶瓷驅(qū)動電源的電路設(shè)計(jì)過程中，將整個驅(qū)動電源分為低壓控制和高壓放大兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì),。
??? 如圖3所示為本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,，它通過一種特殊的功率放大器電路(轉(zhuǎn)軌電路)將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的驅(qū)動信號進(jìn)行放大，獲得高壓激勵脈沖,，以控制壓電陶瓷噴射系統(tǒng)的噴射行為,。在圖3中，工作電源為控制電路內(nèi)部各元件提供所需的供電電源,；高壓直流電源為輸出高壓脈沖提供所需的電壓,；控制電路根據(jù)計(jì)算機(jī)通信指令，產(chǎn)生邏輯電平信號：邏輯電平激勵脈沖,、高(低)軌電流控制信號和高(低)軌鉗位控制信號；上位機(jī)軟件與控制電路進(jìn)行通信,，調(diào)節(jié)輸出高壓激勵脈沖的幅值和上升,、下降時(shí)間；轉(zhuǎn)軌電路產(chǎn)生高壓激勵脈沖,。
??? 從圖3可以看出,，控制電路與轉(zhuǎn)軌電路之間有邏輯電平激勵脈沖信號、電流控制信號以及鉗位控制信號,?？刂齐娐犯鶕?jù)上位機(jī)的設(shè)定，產(chǎn)生相關(guān)的控制信號,，并在轉(zhuǎn)軌電路中輸出所需要的脈沖,。
??? 圖4為壓電陶瓷驅(qū)動電源低壓控制部分電路框圖。
??? (1)CPU模塊：包括單片機(jī),、串行通信接口電路,、電壓的監(jiān)控和數(shù)字邏輯隔離電路等。該模塊是壓電陶瓷驅(qū)動電源的心臟,，通過該模塊來控制整個驅(qū)動電源各模塊的正常工作,。
??? (2)FIRE PULSE TRIGGER模塊：該模塊主要功能是產(chǎn)生10 V的高壓脈沖觸發(fā)信號、參考電壓信號和偏置電壓,。
??? (3)RAMP GENERATOR模塊：該模塊主要功能是產(chǎn)生一個與輸出的激勵脈沖幅值成比例的低壓參考脈沖波形,，為數(shù)模轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。
??? (4)STATUS模塊：該模塊主要是配合CPU模塊的工作,，用于控制整個壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出,，并能檢測輸出情況。
??? (5)DAC模塊：該模塊是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,，是將數(shù)字的脈沖信號轉(zhuǎn)換成低壓的梯形波模擬脈沖信號,，為高壓放大電路提供所需要的信號。
??? (6)LED模塊：該模塊是LED燈顯示模塊，通過不同的LED燈的亮和熄滅來顯示壓電陶瓷驅(qū)動電源的工作情況[3],。
??? 圖5為壓電陶瓷驅(qū)動電源高壓放大部分電路框圖,。該模塊的主要功能是將D/A輸出的低電壓工作波形(RAMPOUT)通過轉(zhuǎn)軌驅(qū)動放大的原理放大為高電壓驅(qū)動電壓工作波形(FP)，以驅(qū)動壓電陶瓷的變形運(yùn)動[3],。
??? 根據(jù)壓電式噴墨打印機(jī)的工作原理,，提出了壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出了驅(qū)動電源的低壓控制和高壓放大二部分的系統(tǒng)框圖,。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳博達(dá),，鄂世舉，楊志剛,，等.壓電驅(qū)動與控制技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用.機(jī)械工程學(xué)報(bào),，2003，39(10)：79-85.
[2] 周潔敏,，陶云剛.壓電陶瓷驅(qū)動器功率放大器研制,，壓電與聲光，1998,，20(5)：304-307.
[3] 胡曉明．基于轉(zhuǎn)軌驅(qū)動的壓電陶瓷驅(qū)動電源[D]．峨嵋山：西南交通大學(xué),，2002.