壓電陶瓷驅動電源及驅動方法
2024-03-04 19:20:15 1
專利名稱：壓電陶瓷驅動電源及驅動方法
技術領域：
本申請涉及驅動電源技術領域，特別是涉及壓電陶瓷驅動電源及驅動方法。
背景技術：
隨著科學技術的發展和研究領域的不斷擴展，納米定位系統的應用需求越來越廣泛，壓電陶瓷作為納米級定位領域的新型材料，具有體積小位移解析度高、頻響高、無噪聲、 無發熱等特點，是一種理想的微位移元件，壓電陶瓷驅動電源是壓電陶瓷的驅動部分，也是壓電陶瓷的核心部分。通過對現有技術的研究，發明人發現傳統的脈寬調製驅動電源均是基於電壓反饋線性控制精度不高，存在遲滯現象。
發明內容
為解決上述技術問題，本申請實施例提供一種壓電陶瓷驅動電源及驅動方法，以解決現有的壓電陶瓷驅動電源線性控制精度不高、存在遲滯現象的問題，技術方案如下一種壓電陶瓷驅動電源，包括脈寬調製PWM驅動模塊、輸出級電路和反饋閉環電路，其中所述PWM驅動模塊的第一輸入端與所述反饋閉環電路的輸出端相連，第二輸入端輸入有預設的參考電壓，所述PWM驅動模塊的輸出端與所述輸出級電路相連，該PWM驅動模塊根據所述反饋閉環電路輸出的反饋電信號以及所述參考電壓之間的差值產生相應的驅動電壓信號提供給所述輸出級電路；所述輸出級電路將所述PWM驅動模塊提供的電壓信號進行濾波後驅動壓電陶瓷；所述反饋閉環電路包括電壓反饋閉環電路和電流反饋閉環電路，其中所述電壓反饋閉環電路連接在所述輸出級電路的輸出端與所述PWM驅動模塊的第一輸入端之間，用於採樣所述壓電陶瓷端的電壓信號並反饋給所述PWM驅動模塊；所述電流反饋閉環電路用於採樣流過所述壓電陶瓷的電流信號，並將電流採樣信號與參考電流信號差值電信號反饋給所述PWM驅動模塊。優選的，所述電流反饋閉環電路包括電流採樣電阻、第一電阻、第一電容、第二電阻和第二電容，其中所述電流採樣電阻串聯於所述壓電陶瓷和參考地之間，且該電流採樣電阻與所述壓電陶瓷相連的一端通過依次串聯的所述第一電阻和第一電容連接所述PWM驅動模塊的第一輸入端；所述第二電容和所述第二電阻依次串聯後與所述PWM驅動模塊的第一輸入端相連，且所述第二電容未與所述第二電阻連接的一端輸入有參考電流。優選的，所述輸出級電路包括第三電阻和第一電感，其中，所述第一電感與所述第三電阻串接後連接在所述PWM驅動模塊的輸出端和壓電陶瓷之間。優選的，所述PWM驅動模塊包括誤差積分器、PWM信號產生模塊和半橋驅動電路，其中所述誤差積分器的反相輸入端為所述PWM驅動模塊的第一輸入端，同相輸入端為所述PWM驅動模塊的第二輸入端，輸出端與所述PWM信號產生模塊的輸入端相連，所述誤差積分器的反相輸入端與輸出端之間連接相位補償網絡，該相位補償網絡包括串聯的第四電阻和第三電容；所述PWM信號產生模塊的輸出端與所述半橋驅動電路的控制端相連，所述PWM信號產生模塊產生的PWM信號用於驅動所述半橋驅動電路；所述半橋驅動電路的輸出端作為所述PWM驅動模塊的輸出端與所述輸出級電路的輸入端相連，該半橋驅動電路用於產生驅動所述壓電陶瓷的電壓信號。優選的，所述半橋驅動電路包括第一金氧半導體場效應電晶體MOS管和第二 MOS 管，其中所述第一 MOS管的柵極與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，漏極輸入有直流電源，源極與所述第二 MOS管的源極相連，所述第一 MOS管的源極與漏極之間連接有第一二極體，且該第一二極體的陽極與所述第一 MOS管的源極相連，陰極與所述第一 MOS管的漏極相連；所述第二 MOS管的柵極通過反相器與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，且所述反相器的輸入端與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，反相器的輸出端與所述第二 MOS管的柵極相連，第二 MOS管的源極連接參考地端，且該第二 MOS管的源極與漏極之間連接第二二極體，且第二二極體的陽極與所述第二 MOS管的源極相連，陰極與所述第二 MOS管的漏極相連。優選的，還包括能量回收電路，該能量回收電路包括儲能電感、第一開關、第二開關、第三二極體、第四二極體，其中所述第一開關與所述第二開關串聯連接於所述PWM驅動模塊的輸出端與參考地端之間；所述第三二極體與所述第四二極體反並聯後與所述儲能電感串聯構成一串聯支路，該串聯支路的一端與所述壓電陶瓷相連，另一端與所述第一開關與第二開關的公共端相連。優選的，所述能量回收電路還包括與所述第三二極體串聯的第三開關，以及與所述第四二極體串聯的第四開關。優選的，所述能量回收電路還包括連接在所述PWM驅動模塊的輸出端與所述壓電陶瓷之間的第五開關，以及連接在所述第五開關與參考地之間的第六開關。本發明還提供一種壓電陶瓷驅動方法，包括獲取壓電陶瓷上的電壓反饋信號及電流反饋信號對應的電壓信號；根據所述電壓反饋信號、所述電流反饋信號對應的電壓及預設的參考電壓產生控制信號；利用所述控制信號產生相應的PWM脈衝信號驅動PWM驅動電路，產生驅動電壓信號以驅動壓電陶瓷。優選的，上述壓電陶瓷驅動方法還包括，利用能量回收電路回收壓電陶瓷上的能量。
由以上本申請實施例提供的技術方案可見，所述壓電陶瓷驅動電源包括PWM驅動模塊、輸出級電路和反饋閉環電路，其中，反饋閉環電路包括電壓反饋閉環電路和電流反饋閉環電路。由於壓電陶瓷的位移量與壓電陶瓷上的電荷量呈線性關係，即壓電陶瓷的位移量與流過壓電陶瓷的電流呈線性關係，但是，壓電陶瓷的位移量與其上的電壓呈現非線性關係，本發明實施例提供的壓電陶瓷驅動電源及驅動方法增加了電流反饋閉環電路，採用電壓反饋和電流反饋雙閉環電路，根據壓電陶瓷上的電壓信號及電流信號控制壓電陶瓷驅動電源輸出的電壓信號，從而消除了遲滯現象，提高了線性控制精度。
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本申請實施例壓電陶瓷驅動電源的原理框圖；圖2為本申請實施例一種壓電陶瓷驅動電源的電路結構示意圖；圖3為本申請實施例能量回收電路的結構示意圖；圖4為本申請實施例另一種能量回收電路的結構示意圖；圖5為本申請實施例一種壓電陶瓷驅動方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。請參見圖1，示出了本申請實施例提供的一種壓電陶瓷驅動電源的原理框圖。所述壓電陶瓷驅動電源包括PWM驅動模塊1、輸出級電路2、反饋閉環電路3，其中所述PWM驅動模塊1包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端；所述輸出級電路2包括輸入端和輸出端；所述反饋閉環電路3包括電壓反饋閉環電路31和電流反饋閉環電路 32。所述PWM驅動模塊1的第一輸入端與所述反饋閉環電路3的輸出端相連，第二輸入端輸入有預設的參考電壓，輸出端與所述輸出級電路2的輸入端相連；所述輸出級電路2 的輸出端與壓電陶瓷4連接，用於驅動壓電陶瓷；所述電壓反饋閉環電路31連接在輸出級電路2的輸出端與PWM驅動模塊1的第一輸入端之間，用於採樣所述壓電陶瓷4上的電壓並反饋給所述PWM驅動模塊1 ；所述電流反饋閉環電路32用於採樣流過壓電陶瓷的電流信號，並將該採樣電流信號與預設的參考電流信號之間的差值反饋給所述PWM驅動模塊。具體的，所述PWM驅動模塊1具體為可以根據參考電壓信號及反饋信號產生控制信號，控制產生PWM脈衝信號的脈衝寬度，進而控制驅動電路輸出的電壓信號的大小的單元或裝置。PWM驅動模塊1根據所述電壓反饋信號及電流反饋信號與參考電流信號之間的差值信號構成的反饋信號與預設的參考電壓信號之間的差值，控制該PWM驅動模塊1輸出的電壓信號，通過輸出級電路進行濾波後提供給所述壓電陶瓷。本實施例提供的壓電陶瓷驅動電源，根據電壓反饋信號、電流反饋信號，以及預設的參考電壓，控制輸出的驅動壓電陶瓷的電壓信號的大小，使其接近所述預設的參考電壓的數值。與現有的壓電陶瓷驅動電源相比，本實施例的壓電陶瓷驅動電源採用電壓反饋和電流反饋雙閉環控制系統，根據壓電陶瓷上的電壓信號及電流信號控制壓電陶瓷驅動電源輸出的電壓信號，從而消除了遲滯現象，提高了線性控制精度。請參見圖2，示出了本實施例一種壓電陶瓷驅動電源的電路結構示意圖。具體的，所述PWM驅動模塊包括誤差積分器11、PWM信號產生模塊12、半橋驅動電路13，其中所述誤差積分器11具體可以通過運算放大器實現，其反相輸入端作為PWM驅動模塊的第一輸入端輸入反饋信號，同相輸入端作為PWM驅動模塊的第二輸入端輸入有預設的參考電壓Vref，輸出端連接所述PWM信號產生模塊12的輸入端相連，而且，在所述誤差積分器11的反相輸入端與輸出端之間連接有相位補償網絡，所述相位補償網絡包括串聯連接的第四電阻R4和第三電容C3，該相位補償網絡用於補償由容性負載所產生的容性電流，從而使該壓電陶瓷驅動電源滿足穩定性要求。該誤差積分器用於得到反饋電信號與預設的參考電壓之間的差值作為控制信號提供給所述PWM信號產生模塊12，所述控制信號用於控制所述PWM信號產生模塊所產生的PWM脈衝信號的脈衝寬度。所述PWM信號產生模塊12產生的PWM脈衝信號用於驅動所述半橋驅動電路13中的開關管，得到的電壓信號經過輸出級電路2進行濾波後，驅動壓電陶瓷。優選的，所述半橋驅動電路13包括第一 MOS管14和第二 MOS管15，其中第一 MOS管14的柵極與所述PWM信號產生模塊12的輸出端相連，漏極與直流電源VDD相連，源極與第二 MOS管15的漏極相連，第一 MOS管14的漏極與源極之間連接有第一二極體D1，其陽極連接第一 MOS管14的源極，陰極連接第一 MOS管14的漏極；所述第二MOS管15的源極連接參考地端，柵極通過反相器16連接PWM信號產生模塊12的輸出端，反相器16的輸入端與PWM信號產生模塊的輸出端相連，反相器16的輸出端與第二 MOS管15的柵極相連。第二 MOS管15的漏極與源極之間連接有第二二極體D2， 且第二二極體D2的陽極與第二 MOS管15的源極相連，陰極與第二 MOS管15的漏極相連。所述第一 MOS管和第二 MOS管均可以為N型MOS管，當PWM信號產生模塊12輸出高電平信號時，第一 MOS管14導通，第二 MOS管截止，該半橋驅動電路13輸出的電壓信號為直流電源VDD ；當PWM信號產生模塊12輸出低電平信號時，第一 MOS管14截止，經過反相器反相作用後第二 MOS管15導通，半橋驅動電路13輸出的電壓信號參考地的電壓。所述輸出級電路包括串聯連接的第三電阻R3和第一電感Li，所述第一電感Ll的一端連接所述第一 MOS管14與第二MOS管15的公共端，另一端與第三電阻R3的一端相連， 所述第三電阻R3的另一端與所述壓電陶瓷4連，由於壓電陶瓷4本身可以等效為一個電容 C，電容C與第一電感Ll構成濾波電路，用於濾除半橋驅動電路輸出的電壓信號中的幹擾信號。
所述電壓反饋閉環電路包括串聯連接的第一採樣電阻R5和第二採樣電阻R6，所述第一採樣電阻R5的一端與壓電陶瓷4的一端相連，第一採樣電阻R5的另一端與第二採樣電阻R6的一端相連，且第一採樣電阻R5的另一端連接至所述誤差積分器11的反相輸入端，第二採樣電阻R5的另一端連接參考地端，將第二採樣電阻R6上的電壓採樣信號反饋給誤差積分器11。所述電流反饋閉環電路包括電流採樣電阻R7、第一電阻R1、第一電容Cl、第二電阻R2、第二電容C2，其中所述電流採樣電阻R7串接在所述壓電陶瓷4與參考地之間，且該電流採樣電阻R7 與壓電陶瓷4連接的一端通過串聯連接的第一電阻Rl和第一電容Cl與所述誤差積分器11 的反相輸入端相連，壓電陶瓷4上的電流採樣信號經過第一電阻Rl和第一電容Cl後轉換為相應的電壓信號；所述第二電阻R2和第二電容C2串聯連接構成串聯支路，串聯支路的一端與所述誤差積分器11的反相輸入端相連，另一端輸入有預設的參考電流Iref，該參考電流Iref經過第二電阻R2和第二電容C2後轉換為相應的電壓信號。該電流反饋閉環電路32，對壓電陶瓷上的電流採樣信號與預設的參考電流信號 Iref對應的電壓信號比較得到的差值，與電壓反饋信號進行疊加，後反饋給誤差積分器 11，誤差積分器11將疊加得到的反饋信號與所述預設的參考電壓信號Vref進行比較後的差值信號作為控制信號提供給PWM信號產生模塊。本實施例提供了壓電陶瓷驅動電源的具體電路結構，採用電壓反饋和電流反饋雙閉環電路，根據壓電陶瓷上的電壓信號及電流信號控制壓電陶瓷驅動電源輸出的電壓信號，從而消除了遲滯現象，提高了線性控制精度。請參見圖3，示出了本申請實施例另一種壓電陶瓷驅動電源的結構示意圖，與圖2 對應的實施例相比，該壓電陶瓷驅動電源還包括能量回收電路。具體的，該能量回收電路5包括所述第一電感Li、第一開關Si、第二開關S2第三二極體D3和第四二極體D4，其中第一開關Sl與第二開關S2串聯後連接於所述半橋驅動電路的輸出端與參考地端之間，第三二極體D3與第四二極體D4反並聯後連接在所述第一開關Sl和第二開關S2的公共端與第一電感Ll之間，第一電感Ll的另一端與壓電陶瓷相連，用於為所述壓電陶瓷供 H1^ ο具體的，當對壓電陶瓷4進行充電時，第一開關Sl閉合，第二開關S2斷開，通過第三二極體D3和儲能電感L2為壓電陶瓷充電；壓電陶瓷4放電時，第二開關S2閉合，第一開關Sl斷開，壓電陶瓷4經過儲能電感L2和第四二極體D4進行放電，將壓電陶瓷中的電場能量轉換為磁場能存儲在儲能電感L2中。優選的，請參見圖4，該能量回收電路還包括與所述第三二極體D3串聯的第三開關S3，以及與所述第四二極體D4串聯的第四開關S4。當為所述壓電陶瓷充電時，所述第三開關S3閉合；當所述壓電陶瓷放電時，第四開關S4閉合。所述能量回收電路還包括連接在所述PWM驅動模塊的輸出端與所述壓電陶瓷4 之間的第五開關S5，以及連接在所述第五開關S5與參考地端之間的第六開關S6，其中，當不需要通過第一電感Ll對所述壓電陶瓷4進行充電時，第五開關S5閉合；當所述壓電陶瓷4不需要通過第一電感Ll進行放電時，第六開關S6閉合。
行監測，可以控制充電電流的大小，壓電陶瓷放電時，洩放電流通過所述第一電感Ll把能量轉化為磁場能存儲到第一電感Ll中，從而實現了上述的能量回收功能。本實施例提供的壓電陶瓷驅動電源增設了能量回收電路，在壓電陶瓷的每個工作過程中，壓電陶瓷充電完畢，斷電之後端電壓緩慢下降，因此電荷在壓電陶瓷的內部會被保存一段時間，所述能量回收電路能夠及時有效地回收這部分電場能，並重新利用，從而提高了電能的利用率、提高了壓電陶瓷的效率，降低了壓電陶瓷的功率損耗。相應於上述的壓電陶瓷驅動電源實施例，本申請還提供一種壓電陶瓷驅動方法實施例，具體包括S101，獲取壓電陶瓷上的電壓反饋信號及電流反饋信號對應的電壓信號；S102，根據所述電壓反饋信號、所述電流反饋信號對應的電壓及預設的參考電壓產生控制信號；S103，利用所述控制信號產生相應的PWM脈衝信號驅動PWM驅動電路，產生驅動電壓信號以驅動壓電陶瓷。優選的，該方法還包括，S104，利用能量回收電路回收利用所述壓電陶瓷中的電能。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護範圍。
權利要求
1.一種壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，包括脈寬調製PWM驅動模塊、輸出級電路和反饋閉環電路，其中所述PWM驅動模塊的第一輸入端與所述反饋閉環電路的輸出端相連，第二輸入端輸入有預設的參考電壓，所述PWM驅動模塊的輸出端與所述輸出級電路相連，該PWM驅動模塊根據所述反饋閉環電路輸出的反饋電信號以及所述參考電壓之間的差值產生相應的驅動電壓信號提供給所述輸出級電路；所述輸出級電路將所述PWM驅動模塊提供的電壓信號進行濾波後驅動壓電陶瓷；所述反饋閉環電路包括電壓反饋閉環電路和電流反饋閉環電路，其中所述電壓反饋閉環電路連接在所述輸出級電路的輸出端與所述PWM驅動模塊的第一輸入端之間，用於採樣所述壓電陶瓷端的電壓信號並反饋給所述PWM驅動模塊；所述電流反饋閉環電路用於採樣流過所述壓電陶瓷的電流信號，並將電流採樣信號與參考電流信號差值電信號反饋給所述PWM驅動模塊。
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述電流反饋閉環電路包括電流採樣電阻、第一電阻、第一電容、第二電阻和第二電容，其中所述電流採樣電阻串聯於所述壓電陶瓷和參考地之間，且該電流採樣電阻與所述壓電陶瓷相連的一端通過依次串聯的所述第一電阻和第一電容連接所述PWM驅動模塊的第一輸入端；所述第二電容和所述第二電阻依次串聯後與所述PWM驅動模塊的第一輸入端相連，且所述第二電容未與所述第二電阻連接的一端輸入有參考電流。
3.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述輸出級電路包括第三電阻和第一電感，其中，所述第一電感與所述第三電阻串接後連接在所述PWM驅動模塊的輸出端和壓電陶瓷之間。
4.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述PWM驅動模塊包括誤差積分器、PWM信號產生模塊和半橋驅動電路，其中所述誤差積分器的反相輸入端為所述PWM驅動模塊的第一輸入端，同相輸入端為所述 PWM驅動模塊的第二輸入端，輸出端與所述PWM信號產生模塊的輸入端相連，所述誤差積分器的反相輸入端與輸出端之間連接相位補償網絡，該相位補償網絡包括串聯的第四電阻和第三電容；所述PWM信號產生模塊的輸出端與所述半橋驅動電路的控制端相連，所述PWM信號產生模塊產生的PWM信號用於驅動所述半橋驅動電路；所述半橋驅動電路的輸出端作為所述PWM驅動模塊的輸出端與所述輸出級電路的輸入端相連，該半橋驅動電路用於產生驅動所述壓電陶瓷的電壓信號。
5.根據權利要求4所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述半橋驅動電路包括第一金氧半導體場效應電晶體MOS管和第二 MOS管，其中所述第一 MOS管的柵極與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，漏極輸入有直流電源，源極與所述第二 MOS管的源極相連，所述第一 MOS管的源極與漏極之間連接有第一二極體，且該第一二極體的陽極與所述第一MOS管的源極相連，陰極與所述第一MOS管的漏極相連；所述第二 MOS管的柵極通過反相器與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，且所述反相器的輸入端與所述PWM信號產生模塊的輸出端相連，反相器的輸出端與所述第二 MOS管的柵極相連，第二 MOS管的源極連接參考地端，且該第二 MOS管的源極與漏極之間連接第二二極體，且第二二極體的陽極與所述第二 MOS管的源極相連，陰極與所述第二 MOS管的漏極相連。
6.根據權利要求1-5任一項所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，還包括能量回收電路，該能量回收電路包括儲能電感、第一開關、第二開關、第三二極體、第四二極體，其中所述第一開關與所述第二開關串聯連接於所述PWM驅動模塊的輸出端與參考地端之間；所述第三二極體與所述第四二極體反並聯後與所述儲能電感串聯構成一串聯支路，該串聯支路的一端與所述壓電陶瓷相連，另一端與所述第一開關與第二開關的公共端相連。
7.根據權利要求6所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述能量回收電路還包括 與所述第三二極體串聯的第三開關，以及與所述第四二極體串聯的第四開關。
8.根據權利要求6所述的壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於，所述能量回收電路還包括 連接在所述PWM驅動模塊的輸出端與所述壓電陶瓷之間的第五開關，以及連接在所述第五開關與參考地之間的第六開關。
9.一種壓電陶瓷驅動方法，其特徵在於，包括獲取壓電陶瓷上的電壓反饋信號及電流反饋信號對應的電壓信號； 根據所述電壓反饋信號、所述電流反饋信號對應的電壓及預設的參考電壓產生控制信號；利用所述控制信號產生相應的PWM脈衝信號驅動PWM驅動電路，產生驅動電壓信號以驅動壓電陶瓷。
10.根據權利要求9所述的壓電陶瓷驅動方法，其特徵在於，還包括利用能量回收電路回收壓電陶瓷上的能量。
全文摘要
本申請公開了一種壓電陶瓷驅動電源及驅動方法，所述壓電陶瓷驅動電源包括脈寬調製PWM驅動模塊、輸出級電路和反饋閉環電路，其中，反饋閉環電路包括電壓反饋閉環電路和電流反饋閉環電路。由於壓電陶瓷的位移量與壓電陶瓷上的電荷量呈線性關係，即壓電陶瓷的位移量與流過壓電陶瓷的電流呈線性關係，但是，壓電陶瓷的位移量與其上的電壓呈現非線性關係，本發明實施例提供的壓電陶瓷驅動電源及驅動方法增加了電流反饋閉環電路，採用電壓反饋和電流反饋雙閉環電路，根據壓電陶瓷上的電壓信號及電流信號控制壓電陶瓷驅動電源輸出的電壓信號，從而消除了遲滯現象，提高了線性控制精度。
文檔編號H02N2/06GK102420541SQ20111042162
公開日2012年4月18日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者劉吉柱, 杜志博, 汝長海, 王澄 申請人:蘇州大學