臺灣博碩士論文加值系統

本研究目標為設計壓電致動器之功率放大驅動電路。此驅動器電路包含電壓控制放大器(Voltage Control Amplifier, VCA)電路、D類放大器(Class-D Amplifier)電路、方向選擇電路。本研究所設計之VCA電路是由全波整流器、方波產生器與積分器所組成，其信號控制範圍可大於之前所使用之音頻放大IC。功率放大是以D類放大器為基準，其中脈寬調變訊號是由單晶片所產生，D類放大器後端使用LC濾波方式，此濾波器搭配壓電致動器之電容性負載特性，可將衰減合成信號中之高頻信號予以還原其波形。方向選擇電路以MOSFET取代TRIAC，可簡化其電路設計。最後，經實驗測試驗證所設計之驅動電路可達到提高驅動器的精度，亦可降低電路之複雜度，也可以減少能源的消耗之目標。

The objective of this research is to design a driving circuitry of power amplifier for application to piezoelectric actuators. The circuit design consists of the Voltage Control Amplifier (VCA) circuit, the class-D amplifier circuit, and the direction selection circuit. The VCA circuit consists of the full-wave rectifier, the square wave generator, and the integrator. The range of control signal of VCA is greater than that of the previous designed audio amplification Integrated Circuit (IC). The power amplifier is designed base upon a class-D amplifier. The pulse width modulation (PWM) of the class-D amplifier is generated by a single chip. LC filter is used and implemented in the Back amplifier so that matching impedance between the piezoelectric capacitance and the circuit becomes easier and more efficient. MOSFET is used for the direction selection circuit to replace TRIAC for the purpose of simplifying the circuit design. Finally, via the experimental test, the design of the driving circuitry is verified to be able to improve accuracy as well as reduce circuit complexity and energy consumption.

目 錄

摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XI

第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 5
1.3 全文架構 7

第二章 壓電致動器與放大器種類簡介 8
2.1 壓電效應 8
2.1.1壓電諧振體 10
2.2 壓電致動器簡介 12
2.2.1壓電致動器之分析 13
2.3 壓電驅動放大器 15
2.3.1 電源轉換器 15
2.3.2功率放大器(power amplifier, PA) 17
2.3.2.1 A類放大器（Class A Amplifier） 17
2.3.2.2 B類放大器（Class B Amplifier） 19
2.3.2.3 AB類放大器（Class AB Amplifier） 21
2.4 方波產生器 23
2.5 積分器 25




第三章 功率驅動電路之設計 28
3.1. 電壓控制放大器(Voltage-Controlled Amplifier,VCA) 29
3.1.1.電路設計電壓控制放大器(circuit design of
Voltage-Controlled Amplifier,EVCA)之原理與設計 29
3.2. D類放大器(Class D)電路 36
3.2.1. 脈寬調變(Pulse Width Modulation)模組 36
3.2.1.1 脈寬調變技術 37
3.2.1.2脈寬調變控制器 39
3.2.2. 功率放大模組(Power Amplifier Modulation) 41
3.2.2.1功率驅動電路 41
3.2.3. 濾波器(Filter) 45
3.2.3.1低通濾波器(Low Pass Filter) 之原理
與設計 45
3.2.3.2 RC低通濾波器 45
3.2.3.3 LC低通濾波器 47
3.3. 壓電馬達之電容性負載效應 51
3.4. 方向選擇電路 52
第四章 實驗與結果 55
4.1 EVCA電路實際信號 56
4.1.1. EVCA之全波整流器 56
4.1.2. EVCA之壓控放大電路 57
4.1.3. EVCA之積分器 59
4.2 D類放大器電路 60
4.2.1. PWM信號 60
4.2.2. 功率放大電路信號 63
4.2.3. 濾波器 65
4.3方向選擇電路 66
4.4壓電驅動電路之實測與實驗結果 68
4.4.1驅動器之輸出信號 69
4.4.2電路架構實測 73
第五章 結論與未來展望 76
5.1 結論 76
5.2 未來展望 77

參考文獻 78
附錄 82
簡歷 83


圖 目 錄

圖1.1 壓電直線馬達之基本架構 2
圖2.1 壓電效應示意圖 (a)壓電材料原本形狀 (b)正壓電效應
(c)逆壓電效應 9
圖2.2 壓電諧振體之等效電路 11
圖2.3 壓電致動器之架構與輸出位移圖 12
圖2.4 壓電致動器於39054Hz之模態 14
圖2.5 壓電致動器之阻抗分析 14
圖2.6 A類放大器基礎電路 17
圖2.7 A類放大器之特性曲線 18
圖2.8 B類放大器基礎電路 19
圖2.9 B類放大器之特性曲線 20
圖2.10 AB類放大器基礎電路 21
圖2.11 方波產生器電路 23
圖2.12 RC電路 25
圖2.13 RC電路輸入與輸出波形 26
圖2.14 OP AMP表示RC電路 26
圖3.1 驅動器整體架構 28
圖3.2 VCA原理示意圖 29
圖3.3 EVCA原理示意圖 30
圖3.4 EVCA之全波整流器 32
圖3.5 全波整流器輸入輸出波形圖 32
圖3.6 全波整流器轉換特性曲線圖 33
圖3.7 EVCA之壓控放大電路 34
圖3.8 EVCA之積分器 34
圖3.9 D類放大器電路示意圖 36
圖3.10 PWM信號產生示意圖 37
圖3.11 PWM調變與輸出關係圖 38
圖3.12 PWM程式流程圖 39
圖3.13 功率驅動電路架構圖 41
圖3.14 IR2110之等效電路圖 42
圖3.15 半橋式功率放大架構圖 43
圖3.16 功率放大動作示意圖 44
圖3.17 RC濾波器基礎電路 46
圖3.18 LC低通濾波器電路圖 47
圖3.19 電壓與電流之相角關係圖 48
圖3.20 功率開關元件切換時之切換損失圖 52
圖3.21 方向選擇原理示意圖 53
圖3.22 方向選擇電路之比較器電路 54
圖3.23 方向選擇電路之MOSFET電路 54
圖4.1 壓電驅動器實體圖 55
圖4.2 壓電驅動器實驗架構圖 55
圖4.3 TL082電氣特性 56
圖4.4 全波整流信號圖 57
圖4.5 經CD40106優化波形 57
圖4.6 當電腦端下達電壓指令2V時，輸出方波2Vpp信號圖……58
圖4.7 當電腦端下達電壓指令10V時，輸出方波10Vpp信號圖…58
圖4.8 弦波信號輸出 59
圖4.9 PIC18F4520晶片架構方塊圖 61
圖4.10 責任週期比為10%PWM信號圖 62
圖4.11 責任週期比為50%PWM信號圖 62
圖4.12 責任週期比為90%PWM信號圖 63
圖4.13 IR2110之電路架構圖 63
圖4.14 分相信號圖 64
圖4.15 半橋功率放大信號圖 64
圖4.16 LC低通濾波器輸出信號圖 65
圖4.17 方向選擇電路AD相&BC相導通情況 66
圖4.18 上一代方向選擇電路實際信號圖 67
圖4.19 方向選擇電路實際信號圖 67
圖4.20 壓電致動器及平台系統實體圖 68
圖4.21 實際驅動實驗架構圖 69
圖4.22 驅動器輸出信號圖 70
圖4.23 上一代驅動器輸出信號圖 70
圖4.24 電壓指令1V/輸出/30Vpp 71
圖4.25 電壓指令5V/158Vpp 71
圖4.26 電壓指令10V/298Vpp 72
圖4.27 頻率控制在40kHz/輸出270Vpp 72
圖4.28 頻率控制在39kHz/輸出300Vpp 72
圖4.29 頻率控制在35kHz/輸出308Vpp 73
圖4.30 上一代驅動器可接收之電腦端所下達之電壓指令圖 73
圖4.31 驅動器可接收之電腦端所下達之電壓指令圖 74
圖4.32 上一代驅動器驅動平台輸出位移圖 74
圖4.32 驅動器驅動平台輸出位移圖 75


表 目 錄

表3.1 特定截止頻率 之電感(L)值和電容(C)值 50

參考文獻
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