摘 要： 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電源,，不僅在技術(shù)上有很大的創(chuàng)新性,，而且還會(huì)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(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)和噴射行為，最終打印噴頭將不同顏色的墨水噴射到一個(gè)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(gè)或48個(gè)以上的獨(dú)立噴嘴，每個(gè)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(dòng)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(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 壓電陶瓷高壓脈沖驅(qū)動(dòng)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(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)：是主控系統(tǒng)給出的系統(tǒng)同步信號(hào)輸入端，為數(shù)字邏輯信號(hào),，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(dòng)電源輸出到負(fù)載的高壓激勵(lì)脈沖，各個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)電源電路
??? 在進(jìn)行壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)過程中，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大,，獲得高壓激勵(lì)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(hào)：邏輯電平激勵(lì)脈沖,、高(低)軌電流控制信號(hào)和高(低)軌鉗位控制信號(hào),；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(lì)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(lì)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(lì)脈沖信號(hào),、電流控制信號(hào)以及鉗位控制信號(hào)?？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(hào)，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(dòng)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(dòng)電源的心臟，通過該模塊來控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)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(hào),、參考電壓信號(hào)和偏置電壓。
??? (3)RAMP GENERATOR模塊：該模塊主要功能是產(chǎn)生一個(gè)與輸出的激勵(lì)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(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成低壓的梯形波模擬脈沖信號(hào),，為高壓放大電路提供所需要的信號(hào),。
??? (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(dòng)電源的工作情況[3]。
??? 圖5為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)放大的原理放大為高電壓驅(qū)動(dòng)電壓工作波形(FP),，以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的變形運(yùn)動(dòng)[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(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法,，并設(shè)計(jì)出了驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源[D]．峨嵋山：西南交通大學(xué),，2002.