图1描述了一个开关电路,该电路在高压下驱动压电泵,其极性在期望的机械泵频率下交替。该电路具有以下优点:(1)相对于传统的直接驱动电路具有较高的能量效率;(2)相对于传统的谐振驱动电路具有紧凑性。

传统的直接驱动电路效率低下,因为泵中的压电驱动器表现得像大电容器,在每个泵周期中只消耗一小部分提供给它们的能量。传统的谐振驱动电路效率更高,但它们必须包括感应线圈,而感应线圈可能大得令人难以接受。

图像本发明的开关驱动电路包括电感线圈,但它们很小而不用于谐振致动器电容;相反,致动器电容的充电和电感和电容式电路元件之间的能量交换(通过设计)比机械泵循环短得多。换句话说,该驱动电路快速充电致动器电容并自动关闭,直到致动器达到其最大机械膨胀或收缩。在执行器达到最大机械膨胀或收缩之后的一段时间后,电路将自身重新旋转,以对相反极性的致动器电容充电;因此,它补充了自上一充电以来的能量。

当首先开启电源时,压电致动器(图1中的C2)的电容首先通过晶体管Q2充电至+450V的电位。充电电流以及充电时间由DC-TO-DC转换器的特性和压电膜的特性决定。电感器L1用于减小每个充电循环期间的初始电流峰值,并且C1用于稳定转换器的输出电压,以及降低DC-DC转换器上的峰值输出电流需求。电感器L2是主能存储电感器;它用于将能量与C2交换以进行切换极性,如下面更详细描述的。

控制电路运行的定时信号是晶体管/晶体管逻辑(TTL)电平脉冲,持续时间为5毫秒,重复频率等于所需的泵浦频率(原始设计为20赫兹)。短脉冲持续时间是必要的,以使可控硅(Q2)关闭自己时,电感L2电流达到零。定时信号由定时/控制振荡器U6产生,该振荡器向光隔离器U4提供定时驱动电流,而光隔离器U4又为可控硅门提供开关信号。

图2显示了压电驱动器两端的电压和电流波形。假设C2已经开始收费。在前半个周期开始时,当定时脉冲发生时,可控硅打开,电流开始从C2流过可控硅和L2。当电流的大小超过最小保持电流时,可控硅就被锁存。然后可控硅继续导电,直到电流降至最小保持电流以下,对于本应用而言,基本为零。当C2上的电压在- 450v附近达到负峰时,最小保持电流达到,可控硅关断。极性反转由L2提供。反向电压峰值的精确幅度略小于|450 V|,其大小取决于极性反转过程中涉及的各种能量交换所损失的能量。当可控硅保持关闭状态时,C2仍处于负电荷状态,只有寄生介质损耗缓慢降低C2上电压的大小。

图像在下半周周期开始时,当下一个定时脉冲到达时,重复前段中描述的过程,除了施加到C2的电流和电压被反转。再次,| 450 V |之间的差异|并且峰值电压的幅度取决于能量丢失。

如果允许迄今为止所描述的操作继续,则电压将继续衰减并且在许多循环之后运行将停止。为了实现连续操作,有必要补充失去的能量。这是如下完成的:在下半周周期的极性反转之后和在下一个时序脉冲到达之前,补充控制子狼圈感测到三端双向可控硅截止,并打开Q1以充电C2至450 V.选择了20-Hz泵频率,转向带扣时间足够长,以使C2能够通过使用相对较低的充电电流将C2充电至450V,只要能量损失相对较低。

由于充电只在正半周期内完成,在C2中产生直流偏置;然而,这种偏移通常只是峰值驱动电压的一小部分,并不会对压电驱动器的运行产生不利影响。只在正半周期充电的优点是,电路比在两个半周期充电所需的电路更简单,包含的元件也更少。

这项工作是由应力工程服务公司的Chris Matice和约翰逊航天中心海洋工程空间系统的Frank E. Sager和Bill Robertson完成的。根据美国国家航空和空间法(42 U.S.C. 2457(f))的规定,本发明的所有权已被海洋空间系统公司放弃。有关商业开发许可的咨询,请寄给

: Oceaneering Space Systems 16665 Space Center Blvd。休斯顿
TX 77058-2268

请参阅MSC-22887,本NASA技术简介发行的卷和数量和页码。金宝搏官网


美国宇航局金宝搏官网科技简报杂志

本文首先出现在2006年8月的问题美国宇航局金宝搏官网技术简报杂志。

阅读档案中的更多文章这里