一種小型數模混合壓電陶瓷驅動系統的製作方法

2023-05-08 05:44:41

本發明涉及壓電陶瓷驅動控制領域，具體涉及一種針對配備電阻應變片式傳感器(sgs)的壓電陶瓷驅動器。

背景技術：

隨著科技的進步，越來越多的儀器和場合需要納米級的精確位移，而壓電陶瓷以體積重量小、頻率響應快、無發熱、無噪聲、定位精度高等優點成為該領域應用十分廣泛的驅動元件之一。但是由於壓電陶瓷固有的遲滯和蠕變等非線性特性導致其應用受限。特別是在要求更高定位精度的場合中，普通的壓電陶瓷驅動器很難滿足使用需求。申請號201110421627.0的發明專利《壓電陶瓷驅動電源》描述重點是壓電陶瓷的驅動電源設計，實際驅動方法只採集電壓和電流形成雙反饋的電路，結構簡單，功能單一。申請號201220437283.2的實用新型專利《模塊化壓電陶瓷控制系統》描述了一個普通的壓電陶瓷控制系統，輸入局限為模擬信號，工作方式局限為開環和簡單的數字閉環，控制單元使用計算機，需要外接顯示器、滑鼠和鍵盤，體積尺寸較大，在某些特定應用場合功能受限，並且針對控制單元描述較少，因此，需要集多種驅動方式混合在一起且尺寸小的驅動器。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種小型數模混合壓電陶瓷驅動系統，該壓電陶瓷驅動系統以儘量少的組件實現多種控制，體積尺寸小，控制方式多樣，靈活性更強。

一種小型數模混合壓電陶瓷驅動系統，該壓電驅動系統包含n個壓電驅動單元，n為大於或等於1的正整數；所述壓電驅動單元包括控制單元、adc、dsp、dac、功率放大電路、反饋信號處理電路、模擬控制電路、輸入開關及輸出開關；

所述輸入開關的輸入端作為指令輸入接口，輸出端有輸出端a、輸出端b、輸出端c及輸出端d；所述輸出開關有輸入端l、輸入端m及輸入端n，輸出端連接功率放大電路；

輸出端a連接輸出開關輸入端l；輸出端b連接dsp的輸入端；輸出端c連接adc的輸入端；輸出端d連接模擬控制電路的輸入端；輸入端m連接dac輸出端；輸入端n連接模擬控制電路的輸出端；

所述adc的輸入端連接模擬控制電路的輸出端及反饋信號處理電路的輸出端，adc的輸出端連接dsp的輸入端；

所述dsp在控制單元的控制下運行選定的控制算法實現數字控制器功能，輸出端連接dac的輸入端；

所述模擬控制電路用於實現模擬控制器功能，輸入端連接反饋信號處理電路的輸出端；

所述反饋信號處理電路接收位於壓電陶瓷上的位移傳感器傳遞的信號產生反饋信號輸出；

所述功率放大電路接收模擬信號進行功率放大產生驅動信號驅動壓電陶瓷。

進一步地，當壓電驅動系統進行模擬輸入開環工作時，控制單元分別自動控制輸入開關和輸出開關置於輸出端a和輸入端l上，模擬信號直接傳遞給功率放大電路。

進一步地，當壓電驅動系統進行數字輸入開環工作時，控制單元分別自動控制輸入開關和輸出開關置於輸出端b和輸入端m上，dsp直接讀取指令輸入接口輸入的數位訊號，運行開環控制算法，通過dac轉換成模擬信號傳遞給功率放大電路。

進一步地，當壓電驅動系統進行數字輸入數字閉環工作時，控制單元分別自動控制輸入開關和輸出開關置於輸出端b和輸入端m上，dsp讀取數位訊號同時接收adc傳遞的反饋信號運行數字閉環控制算法，產生數位訊號通過dac轉換成模擬信號傳遞給功率放大電路。

進一步地，當壓電驅動系統進行模擬輸入數字閉環工作時，控制單元分別自動控制輸入開關和輸出開關置於輸出端c和輸入端m上，dsp接收adc轉換的模擬信號及反饋信號運行數字閉環控制算法，產生數位訊號通過dac轉換成模擬信號傳遞給功率放大電路。

進一步地，當壓電驅動系統進行模擬輸入模擬閉環工作時，控制單元分別自動控制輸入開關和輸出開關置於輸出端d和輸入端n上，模擬控制電路同時接收模擬信號和反饋信號進行模擬運算後，直接傳遞給功率放大電路。

進一步地，所述壓電驅動系統進一步包括運放加法器，輸出開關進一步包括輸入端p，輸入端p連接運放加法器的輸出端，運放加法器的輸入端連接dac的輸出端和模擬控制電路的輸出端，adc的輸入端連接模擬控制電路的輸出端；

dsp接收adc轉換的數位訊號為m，adc接收模擬控制電路輸出的模擬信號為n，二者在dsp中做減法運算並輸出給dac，dac的輸出量為a×(m-n)，a為0～1，代表數字控制量加權係數，運放加法器同時接收dac轉換的數位訊號a×(m-n)和模擬控制電路輸出的模擬信號n並相加得到a×(m-n)+n＝a×m+(1-a)×n，當控制單元控制輸出開關置於輸入端p時，運放加法器將相加的結果輸出實現數模混合控制。

進一步地，所述壓電驅動單元包含電源供電電路，電源供電電路與供電輸入接口連接產生電源信號為壓電驅動單元內的其他組成部分供電，同時為位於壓電陶瓷上的位移傳感器供電。

進一步地，當四個壓電陶瓷兩兩串聯同時並聯連接時，此時n＝2，兩個驅動單元分別與並聯分支的兩個連接點連接，並利用高壓供電實現對該種壓電陶瓷連接形式的驅動控制。

進一步地，所述反饋信號處理電路由信號去偏置電路、信號放大電路和信號調零電路三部分組成；

所述信號去偏置電路採用信號運算放大器u1，正輸入端連接壓電陶瓷的位移傳感器接收反饋正信號，信號運算放大器u1輸出端作為信號去偏置電路的輸出端；

所述信號放大電路採用兩級運算放大器串聯，第一級運算放大器u2負輸入端連接信號去偏置電路的輸出端，第一級運算放大器u2輸出端連接定值電阻，並聯電容一起作為反饋與第一級運算放大器u2負輸入端連接；第二級運算放大器u3負輸入端連接第一級運算放大器u2輸出端，正輸入端接地，輸出端連接滑動變阻器r2，並聯電容一起作為反饋與第二級運算放大器u3負輸入端連接，第二級運算放大器u3輸出端作為反饋信號處理電路的輸出端輸出反饋信號；

所述信號調零電路通過電壓輸出晶片產生恆定電壓，一方面通過滑動變阻器r1連接到信號運算放大器u1的負輸入端，另一方面通過滑動變阻器r3連接到運算放大器u2的正輸入端，通過調節滑動變阻器r1和滑動變阻器r3，使得提供給信號運算放大器u1負輸入端和運算放大器u2正輸入端的基準電壓調至0v。

進一步地，所述控制單元包括控制界面、單片機及flash，單片機分別連接控制界面、flash及dsp，同時單片機分別與輸入開關和輸出開關連接。

有益效果：

1、本發明通過合理的模塊劃分，實現多種控制方式，可以提供數字閉環控制、模擬閉環控制和開環控制三類共5種驅動方式，體積小，性能高，靈活性更強。

2、本發明通過運放加法器將數位訊號和模擬信號相加，能夠實現數模混合的高級驅動控制；並且可以通過控制數字控制量加權係數的大小，根據需要自由調節數位訊號和模擬信號的權值。

3、本發明採用印製電路板焊接集成晶片的設計方式，並且壓電驅動單元內的其他組成部分與壓電陶瓷上的位移傳感器共享一套供電系統，體積尺寸小。

4、本發明可以驅動串聯連接的壓電陶瓷，或者驅動多個壓電陶瓷，驅動對象多樣化。

附圖說明

圖1為本發明原理結構框圖；

圖2為本發明邏輯加法電路的原理結構框圖；

圖3為本發明單片機程序設計流程圖；

圖4為本發明dsp程序設計流程圖；

圖5為具體實施方式三所述的連接多個壓電陶瓷的示意圖；

圖6為具體實施方式四所述的連接雙軸壓電微位移臺示意圖；

圖7為具體實施方式一所述的反饋信號處理電路的示意圖。

其中，1-電源供電電路，2-功率放大電路，3-反饋信號處理電路，3-1-信號去偏置電路，3-2-信號放大電路，3-3-信號調零電路，4-核心控制電路，4-1-單片機，4-2-flash，4-3-ad，4-4-dsp，4-5-da，4-6-1-輸入開關，4-6-2-輸出開關，4-7-模擬控制電路。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

本發明提供了一種小型數模混合壓電陶瓷驅動系統，該壓電驅動系統包含n個壓電驅動單元，n為大於或等於1的正整數；

實施例一，結合圖1、圖2具體說明本實施方式，對於低壓壓電陶瓷，本發明模塊可以實現開環驅動控制，如果配備了位移傳感器，則可以實現數字和模擬閉環驅動控制；本實施例採用sgs傳感器作為位移傳感器，壓電驅動單元對外的接口包括供電輸入端、usb設置接口、指令輸入接口、sgs傳感器信號輸入接口、sgs傳感器供電輸出接口和驅動信號接口；較佳地，dsp的輸入端與rs422/can/spi接口相連。

壓電驅動單元包括控制單元、adc4-3、dsp4-4、dac4-5、功率放大電路2、反饋信號處理電路3、模擬控制電路4-7、輸入開關4-6-1及輸出開關4-6-2；

控制單元、adc4-3、dsp4-4、dac4-5及模擬控制電路4-7稱為核心控制電路4；

控制單元包括控制界面、單片機4-1及flash4-2，單片機4-1分別連接控制界面、flash4-2及dsp4-4，同時單片機4-1分別與輸入開關4-6-1和輸出開關4-6-2連接；單片機4-1及flash4-2一同焊接在電路板上，控制界面設置在外部設備上，採用印製電路板焊接集成晶片的設計方式，體積尺寸小，實用性強。

單片機4-1通過usb接口與控制界面連接，界面指令包括輸入指令類別、驅動方式選擇，數字控制器算法選擇和控制算法參數設置；單片機4-1接收控制界面的界面控制信息，傳遞給flash4-2存儲，flash4-2存儲界面控制信息，如果沒有更新指令，則選用當前保存的設置信息，且掉電不丟失信息。

單片機4-1程序運行流程圖如圖3所示，上電後，單片機4-1與dsp4-4rs422通信正常時，讀取控制界面的指令，若沒有新指令則讀取flash4-2中存儲的信息，從而控制輸入開關4-6-1和輸出開關4-6-2的通斷，然後通過rs422發送控制算法指令給dsp4-4進行下一步操作；若有新指令則讀取新指令，存入flash4-2中並依照新指令控制輸入開關4-6-1和輸出開關4-6-2的通斷，然後通過rs422發送新的控制算法指令給dsp4-4進行下一步操作，實現數字控制器功能。

輸入開關4-6-1的輸入端作為指令輸入接口，輸出端有輸出端a、輸出端b、輸出端c及輸出端d；輸出開關4-6-2有輸入端l、輸入端m及輸入端n，輸出端連接功率放大電路2；輸入開關4-6-1和輸出開關4-6-2通過模擬開關控制，由單片機4-1的io引腳控制，根據輸入指令類型和驅動控制方式不同選擇不同通道，決定信號的傳遞路線，輸入開關4-6-1處的模擬開關是四通道模擬開關，輸出開關4-6-2處的模擬開關是三通道模擬開關；

輸出端a連接輸出開關4-6-2輸入端l；輸出端b連接dsp4-4的輸入端；輸出端c連接adc4-3的輸入端；輸出端d連接模擬控制電路4-7的輸入端；輸入端m連接dac4-5輸出端；輸入端n連接模擬控制電路4-7的輸出端；

adc4-3的輸入端連接模擬控制電路4-7的輸出端及反饋信號處理電路3的輸出端，adc4-3的輸出端連接dsp4-4的輸入端。

dsp4-4在控制單元的控制下運行選定的控制算法實現數字控制器功能，輸出端連接dac4-5的輸入端。通過rs422串口與單片機4-1通信，內置多種數字控制器算法，對外提供spi、can、rs422通信接口。

模擬控制電路4-7接收輸入的信號產生模擬信號輸出，輸入端連接反饋信號處理電路3的輸出端；模擬控制電路4-7包含比例運放電路和積分運放電路，共包含三級運算放大器，第一級是比例放大，第二級加入反饋電容實現積分作用，第三級實現兩者作用相加，模擬控制量發送給輸入端n和adc4-3。

反饋信號處理電路3接收位於壓電陶瓷上的sgs傳感器傳遞的信號產生反饋信號輸出，包括信號去偏置電路3-1、信號放大電路3-2和信號調零電路3-3，如圖7所示；

信號去偏置電路3-1選用精密信號運算放大器u1，正輸入端連接sgs傳感器接收反饋正信號，負輸入端連接滑動變阻器r1，通過調節電壓消除傳感器恆定偏置信號，並且放大微弱的電壓信號，信號運算放大器u1輸出端作為信號去偏置電路3-1的輸出端；

信號放大電路3-2採用兩級反向輸入運算放大器串聯形式，第一級運算放大器u2反向輸入端連接信號去偏置電路3-1輸出端，第一級運算放大器u2輸出端連接定值電阻，並聯電容一起作為反饋與第一級運算放大器u2負輸入端連接；第二級運算放大器u3負輸入端連接第一級運算放大器u2輸出端，正輸入端接地，輸出端連接滑動變阻器r2，並聯電容一起作為反饋與第二級運算放大器u3負輸入端連接，實現微小電壓信號放大功能，同時實現二階濾波器的效果；第二級運算放大器u3輸出端作為反饋信號處理電路3的輸出端輸出反饋信號；

信號調零電路3-3通過電壓輸出晶片產生恆定電壓，一方面通過滑動變阻器r1連接到信號運算放大器u1的負輸入端，另一方面通過滑動變阻器r3連接到運算放大器u2的正輸入端，通過調節滑動變阻器r1和滑動變阻器r3，使得提供給信號運算放大器u1負輸入端和運算放大器u2正輸入端的基準電壓調至0v。

進一步地，壓電驅動單元包含電源供電電路1，電源供電電路1與供電輸入接口連接產生電源信號為壓電驅動單元內的其他組成部分供電，同時為位於壓電陶瓷上的sgs傳感器供電。共享一套供電系統，體積小，若各組成部分單獨供電，尺寸、體積大。

如圖4所示，本實施方式中壓電陶瓷驅動器有五種工作方式：數字輸入開環工作，模擬輸入開環工作，數字輸入數字閉環工作，模擬輸入數字閉環工作，模擬輸入模擬閉環工作，對應圖1和圖2中模擬開關的位置分別是：bm、al、bm、cm、dn；

數字輸入開環(bm)工作時，dsp4-4直接讀取指令輸入接口輸入的數位訊號，運行開環控制算法，通過dac4-5轉換成相應的模擬信號傳遞給功率放大電路2；

模擬輸入開環(al)工作時，模擬信號越過核心控制電路4，直接發送給功率放大電路2；

數字輸入數字閉環(bm)工作時，dsp4-4讀取數位訊號，adc4-3讀取反饋信號，在dsp4-4中運行數字閉環控制算法，產生數位訊號通過dac4-5轉換成模擬信號，傳遞給功率放大電路2；

模擬輸入數字閉環(cm)工作時，dsp4-4接收adc4-3轉換的模擬信號及反饋信號運行數字閉環控制算法，產生數位訊號通過dac4-5轉換成模擬信號傳遞給功率放大電路2。

模擬輸入模擬閉環(dn)工作時，模擬控制電路4-7同時接收模擬信號和反饋信號進行模擬運算後，直接傳遞給功率放大電路2。

功率放大電路2採用高壓功率運算放大器，接收模擬信號進行功率放大產生驅動信號驅動壓電陶瓷。

具體實施方式二，本實施方式與實施方式一的區別在於，驅動器的工作方式不同；輸出開關4-6-2進一步包括輸入端p，輸入端p連接運放加法器的輸出端，運放加法器的輸入端連接dac4-5的輸出端和模擬控制電路4-7的輸出端；此時輸出開關4-6-2處的模擬開關是四通道模擬開關；

在某些特定場合或者對於一些高級使用者，可以通過單片機4-1選擇高級操作控制，即通過單片機4-1控制模擬開關連接到輸入端p。此時，壓電驅動系統進一步包括運放加法器，輸出開關4-6-2進一步包括輸入端p，輸入端p連接運放加法器的輸出端，運放加法器的輸入端連接dac4-5的輸出端和模擬控制電路4-7的輸出端，adc4-3的輸入端連接模擬控制電路4-7的輸出端；這樣，adc4-3接收模擬控制電路4-7輸出的模擬信號和adc4-3轉換的數位訊號在dsp4-4中做減法運算並輸出給dac4-5，運放加法器同時接收dac4-5轉換的數位訊號和模擬控制電路4-7輸出的模擬信號並相加，當控制單元控制輸出開關4-6-2置於輸入端p時，運放加法器將相加的結果輸出實現數模混合控制。

進一步地，若dsp4-4中計算出的數字控制量為m，ad4-3讀取的模擬控制電路控制量n，可以在dsp4-4中做減法運算，則da4-5的輸出量為a×(m-n)，a為0～1，代表數字控制量加權係數，運放加法器將兩者作用再次相加，得到a×(m-n)+n＝a×m+(1-a)×n，此時輸出的控制量相當於數字和模擬控制量的加權平均值，以此實現數模混合的高級驅動控制方式。

更進一步地，當模擬控制量的權值為0時，此時a＝1，完全是數字控制，當模擬控制量權值為1時，完全是模擬控制，則在高級控制中同樣可以實現具體實施方式一中的五種工作方式；

另外，對於高級使用者，還可以在dsp4-4中設計數字濾波器、數字限波器、數字阻尼等高級控制手段。

具體實施方式三，本實施方式與實施方式一、二的區別在於，它的控制對象是多個低壓壓電陶瓷即n為大於1的正整數；

根據具體實施方式一、二的描述可以設計多個驅動器，通過usb設置完畢，按照圖5所示搭建多路輸入多路輸出的模塊，實現多個壓電陶瓷的驅動控制。

具體實施方式四，本實施方式與實施方式一、二的區別在於，它的控制對象是兩軸壓電微位移臺；

根據圖6所示，雙軸壓電微位移臺每個軸由兩個壓電陶瓷串聯同時並聯連接，驅動信號連接兩個壓電陶瓷的中點，一端連接地信號，一端連接高壓信號；

一個驅動信號實現一個軸的平移運動，因此只需要在具體實施方式一、二的條件下採用兩個壓電驅動單元並提供一條高壓輸出端，就可以實現兩軸壓電微位移臺的驅動控制。

具體實施方式三和四不需要付出額外的創造性勞動，可以在具體實施方式一、二的基礎上稍作整合和改動，即可實現多個壓電陶瓷或者對兩軸壓電微位移臺的驅動控制。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。