摘 要： 壓電陶瓷驅動電源是壓電式噴墨打印機的核心部件。提出了壓電陶瓷驅動電源的電路設計方法，將整個驅動電源分為低壓控制和高壓放大兩部分進行設計，并給出了設計框圖。
??? 關鍵詞： 壓電陶瓷；高壓脈沖；驅動電源
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打印機是計算機輸出的重要外部設備，隨著計算機應用的飛速發展，打印機已廣泛應用于各行各業，尤其是非擊打式打印機發展更快，其中噴墨打印機以其獨到的優勢越來越受到青睞。目前國內所使用的壓電式噴墨打印機成本相對較高，其驅動電源在國內的技術還不成熟，主要依靠進口的電源。因此，若能開發出與壓電式噴墨打印機配套的壓電陶瓷驅動電源，不僅在技術上有很大的創新性，而且還會有非常大的市場前景[1]。
當某些各向異性的晶體材料承受外部的機械力作用時，其相應的表面會出現電荷，這一現象稱為壓電效應。反之當這種晶體置于電場下時，晶體會出現幾何變形，這被稱為逆壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電陶瓷是壓電材料中的一種，是能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料[2]。
1 基于壓電陶瓷驅動電源的噴墨打印機工作原理
??? 圖1為基于壓電陶瓷驅動電源的噴墨打印機工作原理圖。
??? 當壓電式噴墨打印機準備進行打印工作時，首先通過上位機控制蠕動泵，將墨盒中的墨水按照打印的需求，以不同的比例，經過過濾器后抽到打印噴頭。同時，再通過上位機控制壓電陶瓷驅動電源的工作，使其能根據用戶的需要控制打印頭的運動和噴射行為，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上，而大量這樣的點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個以上的獨立噴嘴，每個噴嘴又能夠噴出3種以上不同的顏色：藍綠色、紅紫色、黃色、淺藍綠色和淡紅紫色。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上，形成不同的復色。
??? 適用于噴墨打印機的壓電陶瓷高壓脈沖驅動電源，它可以在同步脈沖有效時刻輸出所需的高壓脈沖，且該脈沖可根據所配套的控制軟件進行編程，用戶可以根據實際需要設置輸出脈沖波形參數、調整波形特性。不同參數和特性的高壓脈沖，不僅可以控制打印噴頭的位移，還可以控制噴頭內的壓電陶瓷體的變形度，從而達到在不同的位置，噴射不同的墨水，以及墨水量的大小。
2 壓電陶瓷驅動電源系統結構
??? 壓電陶瓷高壓脈沖驅動電源的系統結構如圖2所示。
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??? (1)工作電源：為驅動壓電陶瓷驅動電源設備內部各元件的正常工作提供所需的電壓幅值，設定為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動壓電陶瓷所需的電壓幅值，設定為130~150 V；為保證能達到用戶設定的電壓值，高壓直流電源要求能在滿負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：是壓電陶瓷驅動電源與主控軟件和上位機相互通信的接口。
??? (4)同步脈沖信號：是主控系統給出的系統同步信號輸入端，為數字邏輯信號，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的負載能力。
??? (5)高壓輸出脈沖：為壓電陶瓷驅動電源輸出到負載的高壓激勵脈沖，各個通道的脈寬均由同步脈沖的寬度來確定。脈沖的上升時間和下降時間各個通道保持一致，可以通過主控軟件進行實時修改。各個通道的脈沖幅值可以分別調節，調節范圍在60～120 V[3]之間。
3 壓電陶瓷驅動電源電路
??? 在進行壓電陶瓷驅動電源的電路設計過程中，將整個驅動電源分為低壓控制和高壓放大兩部分進行設計。
??? 如圖3所示為本文設計的壓電驅動系統的結構框圖，它通過一種特殊的功率放大器電路(轉軌電路)將計算機控制系統產生的驅動信號進行放大，獲得高壓激勵脈沖，以控制壓電陶瓷噴射系統的噴射行為。在圖3中，工作電源為控制電路內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；控制電路根據計算機通信指令，產生邏輯電平信號：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；上位機軟件與控制電路進行通信，調節輸出高壓激勵脈沖的幅值和上升、下降時間；轉軌電路產生高壓激勵脈沖。
??? 從圖3可以看出，控制電路與轉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。控制電路根據上位機的設定，產生相關的控制信號，并在轉軌電路中輸出所需要的脈沖。
??? 圖4為壓電陶瓷驅動電源低壓控制部分電路框圖。
??? (1)CPU模塊：包括單片機、串行通信接口電路、電壓的監控和數字邏輯隔離電路等。該模塊是壓電陶瓷驅動電源的心臟，通過該模塊來控制整個驅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生10 V的高壓脈沖觸發信號、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，為數模轉換做準備。
??? (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動電源的輸出，并能檢測輸出情況。
??? (5)DAC模塊：該模塊是數模轉換模塊，是將數字的脈沖信號轉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動電源的工作情況[3]。
??? 圖5為壓電陶瓷驅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)通過轉軌驅動放大的原理放大為高電壓驅動電壓工作波形(FP)，以驅動壓電陶瓷的變形運動[3]。
??? 根據壓電式噴墨打印機的工作原理，提出了壓電陶瓷驅動電源的設計方法，并設計出了驅動電源的低壓控制和高壓放大二部分的系統框圖。
參考文獻
[1] 吳博達，鄂世舉，楊志剛，等.壓電驅動與控制技術的發展與運用.機械工程學報，2003，39(10)：79-85.
[2] 周潔敏，陶云剛.壓電陶瓷驅動器功率放大器研制，壓電與聲光，1998，20(5)：304-307.
[3] 胡曉明．基于轉軌驅動的壓電陶瓷驅動電源[D]．峨嵋山：西南交通大學，2002.