動態雙極性壓電陶瓷驅動電源和實現方法
2024-03-04 19:51:15
專利名稱：動態雙極性壓電陶瓷驅動電源和實現方法
技術領域：
關注的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種動態雙極性壓電陶瓷驅動電源和實現方法，可以解決目 前容性負載驅動電源在高頻範圍內驅動能力的不足，通過提高驅動電流的方法為壓電陶 瓷等容性負載提供寬範圍的動態高功率驅動電源，具有正負雙向電壓輸出能力，以滿足 壓電驅動器件的雙向運動需要。並利用虛擬儀器概念設計了控制軟體產生信號波形，由 計算機通過數模轉換輸出到放大驅動單元，可以產生可調直流信號及正弦、方波、三角 波等各種標準波形，且可根據需要進行複雜波形擴展，實現了控制準確靈活、適應性好、 穩定性高的特點。
本發明提供的一種動態雙極性壓電陶瓷驅動電源包括
信號波形發生單元，用於產生需要得各種標準或自定義波形，以適應不同的驅動要求。 直流供電單元，用於為信號放大驅動單元提供所需的正負直流電壓。 信號放大驅動單元，用於承擔前級模擬信號的電壓放大和功率放大，實現對負載的大 功率驅動。
信號波形發生單元的結構採用計算機及虛擬儀器軟體程序、數模轉換卡硬體共同構成，其工作原理為通過基於計算機上的虛擬儀器軟體平臺開發的波形產生軟體，根據需 要設置輸出信號類型、頻率、幅值、電壓偏置等參數，並生成對應的離散化波形數據， 該信號波形數據經由USB埠接數模轉換板的輸入端，經過數模轉換後產生模擬信號， 送到下一級放大驅動單元。
信號放大驅動單元結構包括兩級放大,第一級為電壓放大級，採用高壓集成運放形式， 負責對前一級信號波形發生單元的信號進行電壓放大，第二級為功率放大，採用多組 NMOS管和PMOS管構成推挽形式的互補輸出，實現對第一級電壓放大的電流擴展，採 用的多組並聯推挽提高了電源的輸出能力。信號波形發生單元輸出的模擬信號連結到第 一級電壓放大的輸入端，第一級電壓放大的輸出端連接到第二級電流放大的輸入端，第 二級的輸出端連接到容性負載，可以為壓電陶瓷等容性負載提供較高的驅動功率。為防 止MOS管在瞬時或連續高電流下損壞，在工作電路中為每個MOS管設計了限流電路， 通過限流取樣電阻獲取輸出電流， 一旦輸出電流超過預定值，限流三極體導通，從而限 制輸出電流的增大，實現對MOS管的過流保護。
直流供電單元結構包括兩路變壓、整流、濾波電路組成，分別輸出正電壓和負電 壓提供給信號放大驅動單元。採用了兩路獨立的電路，分別將220伏交流電連接到隔離 變壓器的輸入級，變壓器的輸出級連接到整流橋的輸入端，整流橋的輸出端連接接濾波 電路，實現電源的條壓，並將單向不穩定脈動電壓轉換為穩定的直流電壓。最後將兩路 直流電源進行串聯，第一路的負極連接第二路的正極，並將其作為公用端接地，第一路 的正極輸出為正電壓，第二路的負極輸出為負電壓，並將其分別連接到信號放大驅動單 元的正負電壓輸入端Vp和Vn。
本發明提供的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源的實現方法包括的步驟首先由直流供 電單元為信號放大驅動單元提供直流高壓電壓，然後啟動驅動電源控制軟體，通過計算
機的軟體界面輸入所需波形信號的類型、頻率、幅值、偏置等參數，確認無誤後點擊輸 出，則將生成的離散化波形信號經由數模轉換輸出對應的模擬電壓信號，該信號經過信 號放大驅動單元完成電壓放大和功率放大後，輸出到容性負載上。
本發明提供的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源解決了目前容性負載驅動電源在高頻範 圍內驅動能力的不足。該動態高功率驅動電源具有正負雙向電壓輸出能力，，輸出電壓範 圍可達到士150伏，動態特性好，其工作頻率範圍可達到0-20KHz，全頻帶範圍內可實現 滿電壓範圍輸出，峰峰值輸出電流可達到3安培，能滿足壓電驅動器件的雙向驅動需要， 並利用虛擬儀器概念設計了控制軟體以產生信號波形，由計算機通過數模轉換輸出到放 大驅動單元，可以產生可調直流信號及正弦、方波、三角波、鋸齒波等各種標準波形， 且可根據需要進行複雜波形擴展，實現了控制準確靈活、適應性好、穩定性高的特點。
圖1是驅動電源總體原理框圖。
圖2是控制軟體的總體結構圖。
圖3是標準連續波形產生的程序流程圖。圖4是驅動放大電路原理圖。
圖5是驅動容性負載輸出5KHz, ±150伏正弦波圖。 圖6是帶容性負載輸出10KHz、 土150伏正弦波圖。 圖7是帶容性負載輸出20KHz、 ±150伏正弦波圖。
具體實施例方式
以下結合
採用本發明的具體實施方式
。
如圖1所示，本發明主要由信號波形發生單元、信號放大驅動單元以及直流供電單元 組成。其中信號波形發生單元用於產生負載工作中需要的各種信號波形。信號放大驅動 單元實現對前端信號的電壓及功率放大，以適應負載所需的功率要求。直流供電單元為 信號放大驅動單元提供正負直流電壓。驅動電源信號產生到驅動過程如下通過軟體參 數設置產生所需波形離散化波形數據，經過計算機的USB傳輸到數模轉換器，並嚴格按 照定時時鐘進行數字量到模擬量的轉換、輸出，模擬信號輸入到高壓運算放大器的同相 輸入端進行電壓放大，再通過電流擴展電路實現功率放大，最終輸出驅動負載。
信號波形發生單元採用計算機和基於虛擬儀器軟體開發的軟體產生波形和進行輸出 控制，並將離散化信號波形通過USB接口傳送到數模轉換板，轉換為模擬信號輸出。信 號波形編輯通過計算機上的軟體界面進行控制，控制內容包括波形類型、波形幅值、偏 置電壓，其中波形類型包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波，波形輸出最大值士10伏， 通過偏置電壓設置可以為波形添加直流偏置電壓，實現非對稱波形輸出，並可以預覽輸 出波形。工作過程中可動態改變參數並可實現波形實時動態輸出。
圖2所示為軟體的總體結構，採用了模塊化的設計方法，將程序劃分為主程序和各 子程序，對應不同類型的波形分別採用不同的模塊完成。主程序用於界面的管理和各子 程序的調用，以及硬體參數的傳遞。硬體參數設置模塊用於硬體的控制，包括數模輸出 卡的輸出更新率和放大電路的放大倍數設置，以及對輸出信號最大最小值的設置，以避 免超出負載的工作電壓範圍而損壞負載。其餘各子模塊分別用於完成標準連續波形產生、 單周期標準波形產生、直流信號產生、正弦掃頻信號產生和自定義波形產生。
圖3表示標準連續波形產生的軟體程序流程，其工作過程為選擇波形形式，可選正 弦波、三角波、方波、鋸齒波，然後設置產生信號的頻率、幅值、直流偏移量、方波信 號可以調整佔空比，設置完成後與預先定義的輸出最大最小值進行比較，如果超限則截 去超出範圍的數值，並在預覽窗口中顯示預計輸出波形，觀察無誤後點擊波形輸出按鈕， 啟動數模轉換將信號轉換為模擬信號，再發送到放大單元放大後作用到容性負載上，如 此循環反覆直到按下停止輸出，波形輸出過程中可隨時對信號的形式、頻率、幅值、直 流偏移量等參數進行調整改變，並在調整完成後即時將改變的信號進行輸出，無需停止 當前的信號重新啟動。單周期波形程序輸出流程與此類似，不同點僅在於每次僅輸出一 個周期的信號。直流信號產生程序的流程與此不同點在於每次產生的波形是定值，僅在 電壓變化時調整輸出信號。正弦掃頻信號產生程序的流程中首先設置起止頻率、掃頻方 式、電壓幅值、直流偏移量等參數，啟動輸出後自動按照設定的範圍輸出信號並控制掃頻過程。自定義波形產生程序可以將預先定義的任何波形信號進行輸出。
採用高壓運放是經常採用的嵩壓驅動方式，但通常高壓運放輸出電流不足不能滿足高 壓大電流的條件，需要加以擴展提高其工作範圍，為此信號放大驅動單元採用了高壓運 放和功率放大兩級實現需要的高壓大功率輸出。
如圖4所示，電壓放大電路以高壓運算放大器0P1為核心，前一級數模轉換後的模 擬信號從高壓運放0P1同相輸入端引腳輸入，同相輸入與反相輸入端引腳間通過二極體 Ddl、 Dd2、 Dd3、 Dd4實現電壓鉗位在土1.4伏，以保護運放輸入，具體接法為Ddl負 極接0P1同相輸入端，Ddl正極接Dd2負極，Dd2正極接0P1反相輸入端，Dd3正極接 0P1同相輸入端，Dd3負極接Dd4正極，Dd4負極接0P1反相輸入端，運放0P1的正電 源引腳接Vp，負電源引腳接Vn， Vp和Vn分別為直流正負電源的正電源和負電源輸出 端。電阻Rcl為運放的輸出限流電阻， 一端接運放的輸出端引腳，另一端接運放的限流 端引腳，以控制運放的輸出電流，保持運放工作在安全工作區內，同時運放的輸出端連 接下一級功率放大電路的輸入端。電阻Rf的一端接OPl的反相輸入端，另一端接功率 放大電路末端的輸出，構成運放的反饋通道，電阻Rfl的一端接0P1的反相輸入端引腳， 另一端接地，Rf和Rfl的值確定了電壓放大倍數。電阻Rc和電容Cc串聯後接入運放 0P1的兩個補償引腳之間作為補償元件，防止自激振蕩產生。
功率放大電路採用6路並聯的推挽場效應管組成電流擴展電路實現，每一路包括 NMOS管和PMOS管組成的乙類推挽放大電路以及限流電路。Ql、 Q3、 Q5、 Q7、 Q9、 Qll為NMOS功率管，採用並聯方式共同承擔輸出信號的正半周信號驅動，其漏極接直 流供電電源的正電壓輸出端；Q2、 Q4、 Q6、 Q8、 QIO、 Q12為PMOS功率管，採用並 聯方式共同承擔輸出信號的負半周信號驅動，其漏極接直流供電電源的負電壓輸出端。 各組NMOS管電路基本相同，下面以Ql所在的驅動單元為例進行說明前級電壓放大 後由高壓運放0P1輸出端經電阻Rl接NMOS管Ql的柵極，Ql的源極接限流電阻R2 的一端，R2的另一端接輸出緩衝電阻R37，電阻R2、 R3、 二極體D1、 npn型三極體Tl 共同構成Q1的限流電路，二極體D1正極接高壓運放0P1的輸出，負極接三極體T1的 集電極，Tl的基極接電阻R3的一端，R3的另一端接Q1的源極，三極體T1的發射極 與限流電阻R2—樣接輸出緩衝電阻R37，電阻R3為三極體限流電阻，限流電路的工作 原理為當通過R2的電流超過限定值時，其兩端的電壓使T1導通，電流經D1、 Tl流過 並將Ql的柵源電壓降低到導通電壓以下，從而使Ql關斷，保護Ql不致過流而損壞。 對於各組PMOS管，其電路也基本相同，以Q2所在的驅動單元為例進行說明高壓運 放OPl輸出端經電阻R4接PMOS管Q2的柵極，Q2的源極接限流電阻R5的一端，R5 的另一端接輸出緩衝電阻R37，電阻R5、 R6、 二極體D2、 p叩型三極體T2共同構成 Q2的限流電路，二極體D2負極接高壓運放0P1的輸出，正極接三極體T2的集電極， T2的基極接電阻R6的一端，R6的另一端接Q2的源極，三極體T2的發射極與限流電 阻R5—樣接輸出緩衝電阻R37，電阻R6為三極體限流電阻，限流電路的工作原理為當 通過R5的電流超過限定值時，其兩端的電壓使T2導通，電流經T2、 D2流過並將Q2的柵源電壓降低到導通電壓以下，從而使Q2關斷，保護Q2不致過流而損壞。
驅動阻性負載時，輸出到負載的電壓和電流基本上處於同相位，而流過驅動管上的電 壓和電流正好相反，即管壓降最大時電流極小，電流最大時管壓降最大，因此驅動管消 耗功率較小。而驅動容性負載時，輸出到負載的電流超前電壓，純粹的容性負載相位差 為90度，功率管上的管壓降和電流不再是相反的關係，因此與驅動阻性負載相比，驅動 容性負載時功率管消耗功率大大增加，為此功率管上的散熱是非常重要的，為此在運放 和功率管上均採用了大面積的散熱片，並增加了風扇提高散熱效率。
採用推挽結構形式將對壓電陶瓷等容性負載的充放電分別由NMOS管和PMOS管 完成，並釆取多組並聯驅動可以降低對功率器件的要求，同等輸出功率條件下，由多組 功率管共同承擔減輕了每個場效應管的功耗，可以提高電源的動態驅動能力，為壓電陶
瓷驅動器等容性負載實現快速響應提供可靠的驅動。
圖5所示為驅動容性負載，輸出電壓士150伏、頻率為5KHz時，通過示波器觀察到 的輸出電壓和電流波形，其中CH1為電壓波形，可見波形失真較小，且電壓峰峰值達到 了 300伏，CH2為通過串聯1歐姆小電阻取得的等效電流波形，圖中可見電流波形超前 於電壓波形90度，電流和電壓波形交越失真均較小。
圖6為驅動容性負載，輸出電壓士150伏、頻率為lOKHz時，通過示波器觀察到的 輸出電壓波形。
圖7所示為驅動容性負載，輸出電壓士150伏、頻率為20KHz時，通過示波器觀察 到的輸出電壓和電流波形，可見電流波形超前於電壓波形約90度，其中CH1為電壓波 形，可見波形失真較小，且電壓峰峰值達到了 290伏，CH2為通過串聯1歐姆小電阻取 得的等效電流波形，可見輸出電壓同頻率為5KHz時相比略有下降，但僅下降了約0.3dB， 仍然接近於300伏，電流峰峰值約為2.58安培，且未出現削波現象，交越失真略大，但 電壓波形沒有出現明顯的畸變。
測試表明在20KHz範圍內對容性負載均具有約土150伏的輸出驅動能力，可以滿足 壓電陶瓷等容性負載寬頻帶動態雙極性驅動的需要。
權利要求
1、一種具有雙極性輸出功能的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於它包括信號發生單元，信號放大驅動單元和直流供電單元，信號發生單元通過計算機中的軟體控制產生波形數據，經過計算機的USB埠輸出到數模轉換器的輸入端，數模轉換後的數據經輸出端連接信號放大驅動單元的電壓放大電路輸入端，電壓放大電路的輸出端接功率放大電路的輸入端，功率放大電路的輸出端接壓電陶瓷負載正輸入端，電壓放大電路採用電壓負反饋方式，其取樣電阻一端接功率放大電路的輸出端，另一端接到電壓放大電路的反相輸入端，直流供電電源的正負電壓輸出端分別接電壓放大電路和功率放大電路的正負電源輸入端。
2、 根據權利要求l所述的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於信號波形通過計算機上的基於虛擬儀器的軟體生成，參照直接數字頻率合成原理，具有標準連續波形產生、單周期標準波形產生、直流信號產生、正弦掃頻信號產生和自定義波形產生功能；對於標準 連續波形，通過設置波形類型、頻率、幅值、直流偏置參數，將波形生成等時間間隔數據列， 分段傳送到數模轉換板，以等時間間隔進行數模轉換輸出模擬信號，並不斷重複此過程，實 現預期波形的連續輸出，波形所有參數可動態精確調整，調整完成即時輸出，具有產生各種 單周期波形和直流信號功能，可實現單個周期信號的輸出和直流信號的輸出，同樣可以實現 各項波形參數的精確設置，具有可設定的正弦掃頻信號和自定義波形的輸出功能。
3、 根據權利要求l所述的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於信號放大驅動採 用電壓放大和功率放大兩級構成，電壓放大採用電壓負反饋高壓集成運放，高壓運放同相輸入端接前級的模擬信號波形，反相輸入端接反饋電阻Rf和Rfl，電阻Rfl的另一端接地，Rf 的另一端接功率放大電路的輸出端，Rf的兩端並聯小電容Cf作為補償，運放0P1的同相輸 入與反相輸入端引腳間通過二極體Ddl、 Dd2、 Dd3、 Dd4實現電壓鉗位；功率放大採用多組 NMOS管和PMOS管構成推挽形式的互補輸出實現大功率驅動，多組NMOS管並聯共同承 擔輸出信號的正半周信號驅動，多組PMOS管並聯共同承擔輸出信號的負半周信號驅動，每 一組M0S管具有獨立的限流保護，分別通過取樣電阻、單向二極體、三極體、三極體限流電 阻實現。
4、 根據權利要求1和3所述的動態雙極性壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於直流供電電 源為正負雙路供電，對放大電路提供對稱正負電壓Vp和Vn，驅動電源輸出具有正負雙極性 驅動能力。
全文摘要
本發明涉及一種適用於壓電陶瓷等容性負載驅動的動態雙極性驅動電源，包括有信號波形發生單元、直流供電電源和信號放大驅動單元。信號波形發生單元通過軟體產生需要的波形信號輸出到數模轉換板，數模轉換後輸出模擬信號到電壓放大電路輸入端，電壓放大電路輸出端接功率放大電路的輸入端，功率放大電路採用並聯推挽的電流跟隨放大形式，其輸出接壓電陶瓷負載的正電極，負載負極接地。驅動電源驅動正弦頻率可達到20KHz，輸出電壓達到±150伏，輸出電流峰峰值可達3安培。可輸出正弦波、三角波、方波和鋸齒波等標準波形，並可添加直流偏置，具有控制準確靈活、動態特性好、波形失真小等特點，可用於壓電驅動器的動態控制和性能測試。
文檔編號H03F3/45GK101599715SQ20091006943
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月25日 優先權日2009年6月25日
發明者張大衛, 濤 陳 申請人:天津大學