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(shì)越來(lái)越受到青睞。目前國(guó)內(nèi)所使用的壓電式噴墨打印機(jī)成本相對(duì)較高，其驅(qū)動(dòng)電源在國(guó)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(kāi)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(guò)過(guò)濾器后抽到打印噴頭。同時(shí)，再通過(guò)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(lái)說(shuō)，噴嘴越多，完成噴墨過(guò)程就越快，也就是打印速度越快，這些噴出來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)該模塊來(lái)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(cè)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(guò)不同的LED燈的亮和熄滅來(lái)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(guò)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.