自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源的製作方法
2024-03-04 20:29:15 3
專利名稱：自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是電源的領域，具體涉及一種應用是驅動壓電陶瓷，是一種容性微致動器 的驅動電源。
(二)
背景技術：
壓電陶瓷微位移器具有體積小、位移解析度高、頻響高、無噪聲、不發熱等特點，是一 種理想的微位移元件。隨著科學技術的不斷發展，我們所研究的範疇也從宏觀世界發展到了 對微觀世界，而壓電陶瓷驅動器正好適應了這一發展的需要，因此世界各國都競相開展對壓 電陶瓷驅動電源技術的研究。目前廣泛研究的壓電陶瓷驅動方法主要有電壓驅動和電流驅動。 電流驅動方法其開環控制線性良好，帶負載能力強，頻帶寬，但低頻穩定性差，存在電荷洩 漏、輸出電壓飽和以及零點位移控制困難等問題。而電壓驅動方法雖然具有較好的穩定性及 靜態特性，但在高速運動條件下，其帶負載能力顯著下降，並且其閉環頻響帶寬較低(lKz以 下)針對目前壓電陶瓷被廣泛應用在內燃機燃油噴射，精細電火花加工等複雜環境中，不僅對 定位的精度有一定的要求，對於動態性能和功率的要求也是越來越高，而高動態和大功率輸 出是比較矛盾的，因此如何解決這種矛盾具有重要的理論意義和實用價值。
(三)
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠用於精細電火花加工等對動態和功率要求比較高場合， 採用FPGA實現自帶信號發生單元，並採用橋式電路進行信號放大，實現高動態大功率輸出 的自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源。
本發明的目的是這樣實現的它包括信號發生單元、功放模塊和MCU單元3個部分， 信號發生單元和功放模塊中間採用MCU單元進行連接並實現鍵盤液晶等控制功能，功放模 塊輸出對PZT致動器進行驅動，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬 輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護電路，信號發生單元、功放模塊和MCU單元 分別連接供電電源單元。
本發明還有這樣一些技術特徵
1、 所述的信號發生單元包括基於DDS的數位訊號發生器，數位訊號發生器包括依次連 接的累加器、數據鎖存器、波形存儲器和DA轉換裝置；
2、 所述的功率放大單元採用橋式率放大結構，用兩個放大器橋式連接；
3、 所述的信號發生單元採用前級主放大器和後級單位增益反相放大器組成橋式電路，將 電壓轉換速率和輸出功率提升一倍，同時降低了放大器的供電電壓，採用正負雙極性低壓供 電。本發明系統還採用電壓檢測、電流限制和溫度保護單元，確保在大功率輸出時系統的安 全性，本發明通過液晶和鍵盤操作可以選擇模擬信號輸入和信號發生單元信號輸入兩種方式， 輸入信號經過功放模塊放大輸出，驅動壓電陶瓷等容性負載。經過試驗證明，本發明所設計 的壓電陶瓷驅動電源能在保證一個較寬的工作帶寬的前提之下，有效地提高了輸出的功率， 解決了傳統壓電陶瓷驅動電源的輸出功率同帶寬之間的矛盾。
圖1為電源的原理拓撲圖2為改進型DDS原理拓撲圖3-圖4為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz正弦波波形示意圖5-圖6為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz三角波波形示意圖7-圖8為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz鋸齒波波形示意圖9-圖IO為加濾波器輸出的100Hz和20KHz正弦波波形示意圖l卜圖12為加濾波器輸出的100Hz和20KHz三角波波形示意圖13-圖14為加濾波器輸出的100Hz和20KHz鋸齒波波形示意圖； ，
圖15為橋式功率放大的原理示意圖16為頻率為206Hz空載動態特性示意圖17為頻率為8.5KHz空載動態特性示意圖18為頻率為24KHz空載動態特性示意圖19-圖20為頻率為lKHz和3KHz輸出為60V的帶載特性示意圖； 圖21-圖22為頻率為lKHz和3KHz輸出為80V的帶載特性示意圖。 具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明
1、 本發明的原理拓撲如圖1所示
本實施例採用開關電源為整個系統供電，輸出效率能達到90%以上。整個系統分為3個 部分，信號發生單元，功放模塊，中間採用MCU單元進行連接並實現鍵盤液晶等控制功能， 功放模塊輸出對PZT致動器進行驅動。這個系統還採用電壓檢測，電流限制，和溫度保護等 功能，確保在大功率輸出時系統的安全性。
2、 基於DDS的數位訊號發生器
壓電陶瓷驅動電源在動態應用中需要利用各種動態波形(正弦、三角、鋸齒等波形)作 為輸入信號。 一般可採用信號發生器作為輸入，但是其體積太大且成本較高；也可採用PC 機存儲波形，然後利用串口或並口等傳輸到下位機而產生波形，但是其速度受到串口等的傳輸速度限制。針對壓電陶瓷驅動器的動態應用，利用DDS技術，設計了壓電陶瓷驅動電源的 可控波形輸出模塊。該模塊可以調整輸出電壓波形的頻率和幅值，從而為壓電陶瓷驅動電源 在高速動態條件下應用提供了信號來源，同時也為壓電陶瓷驅動電源的進一步集成化打下了
基礎o
圖2是本實施例中採用的改進型信號發生器，累加器中按照頻率控制字進行數據累加， 將累加後的值存入M數據寄存器，數據寄存器中的值被分為兩部分，低N位作為一個模進行 累加，高M-N位作為EEPROM的尋址地址對波形輸出，這樣，就可以通過控制頻率控制字 來控制低N位取模的速度，也就是對高M-N位進位的速度，由此影響對EEPROM的尋址速 度，實現對輸出波形的頻率控制的目的。數據信號發生器的輸出波形如圖3-圖8所示。
圖3-圖8的幾幅圖片是DDS輸出未採用濾波時的輸出，仔細觀察可以發現，波形的上有 很明顯的開關噪聲(毛刺)，在高頻的情況下更加明顯，在採用二階低通濾波器對輸出進行過 濾之後，發生很明顯的改善。 4、功放單元
傳統線形電路的輸出受增益帶寬積的影響，輸出功率和頻率是相互矛盾的。本設計釆用 橋式驅動原理，輸出增益是前級主放大器增益和後級單位反相增益放大器的增益之和，這種 驅動方式的優點在於
(1) 用兩個放大器橋式連接，其輸出電壓是單運放的兩倍，而且橋式電路是唯一在單電源 下可以實現雙極性輸出的方式。在電源電壓比較低或者需要放大器的輸出接近電源電壓而一 個放大器不能提供足夠大的輸出是採用這種電路非常有意義.同時由於輸出電壓是單運放的 兩倍，因此其輸出功率也比單運放增加了一倍。
(2) 將轉換速率提高一倍，由於在兩個放大器上是非線性對稱的，因此比單運放可以減小 二次諧波失真。
(3) 由於橋式電路的輸出電壓是單運放的兩倍，但是實現方式是用兩個運放實現，因此在 不影響單級運放的帶寬的基礎之上實現的電壓放大，所以其頻響相對於常用壓電陶瓷驅動電
源高出很多。
橋式功放單元部分的原理如圖15所示。模擬輸入時橋式放大電路的輸出如圖16-18所示。 本實施例採用空載，正弦波輸出動態跟蹤0-80V，頻率範圍200Hz—25KHz，其中
200Hz—8.5KHz輸出波形沒有衰減(80V) ， 8.5KHz—25KHz輸出電壓值有所衰減，lOKHz 時峰一峰值為76V， 25KHz時峰一峰值衰減為34V。這主要是因為對驅動電源進行補償，以 犧牲放大倍數獲得系統輸出穩定。結合圖19-圖22，採用自帶信號發生器輸入信號，利用橋 式功率放大電路進行放大的半橋輸出。
權利要求
1、一種自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源，它包括信號發生單元、功放模塊和MCU單元3個部分，其特徵在於信號發生單元和功放模塊中間採用MCU單元進行連接並實現鍵盤、液晶控制功能，功放模塊輸出對PZT致動器進行驅動，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護電路，信號發生單元、功放模塊和MCU單元分別連接供電電源單元。
2、 根據權利要求1所述的自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於所述的信號發生單元包括基於DDS的數位訊號發生器，數位訊號發生器包括依次連接的累加器、數據鎖存器、波形存儲器和DA轉換裝置。
3、 根據權利要求2所述的自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於所述的功率放大單元採用橋式率放大結構，用兩個放大器橋式連接。
4、 根據權利要求3所述的自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源，其特徵在於所述的信號發生單元採用前級主放大器和後級單位增益反相放大器組成橋式電路，將電壓轉換速率和輸出功率提升一倍，同時降低了放大器的供電電壓，採用正負雙極性低壓供電。
全文摘要
本發明提供了一種自帶信號發生器的高動態大功率橋式壓電陶瓷驅動電源。它包括信號發生單元、功放模塊和MCU單元3個部分，信號發生單元和功放模塊中間採用MCU單元進行連接並實現鍵盤液晶等控制功能，功放模塊輸出對PZT致動器進行驅動，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護電路，信號發生單元、功放模塊和MCU單元分別連接供電電源單元。本發明能夠用於精細電火花加工等對動態和功率要求比較高的應用場合，採用FPGA實現自帶信號發生單元，並採用橋式電路進行信號放大，實現高動態大功率輸出等功能。
文檔編號H03K3/02GK101582652SQ20091007237
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者孫立寧, 杜志博, 汝長海, 榮偉彬, 春 黃 申請人:哈爾濱工業大學