CN101404466A - 一种非谐振适配电路及使用该电路的压电装置驱动器 - Google Patents

Abstract

一种非谐振适配电路及使用该电路的压电装置驱动器，涉及一种适配电路及压电装置驱动器。适配电路的第一、三二极管负极同时连接正电源Vo+，第一、三二极管正极分别连接第二、四二极管负极，第二、四二极管正极同时连接负电源Vo－，第二二极管负极为方波信号输入端，并连接电感的一端，电感的另一端连接第四二极管负极作为信号输出端。它解决了方波驱动中冲击电流大、谐波含量高，以及常规阻抗匹配电路存在的问题。驱动器的直流升压电路输出正电源Vo+和负电源Vo－，数字控制电路输出n个方波控制信号分别通过n个隔离驱动电路控制n个半桥电路输出方波驱动信号给非谐振适配电路。它输出参数可调范围宽，通用性强。本发明适用于压电装置的驱动控制领域。

Description

一种非谐振适配电路及使用该电路的压电装置驱动器

技术领域

本发明涉及到一种适配电路，及压电装置驱动控制领域。

背景技术

压电陶瓷作为一种电能和机械能的换能器，已在超声波电机、超声波换能器、压电变压器等领域获得广泛的运用。现有压电陶瓷驱动装置种类繁多、性能参数各异，在超精密仪器、机器人技术、航空航天等特殊领域的应用中凸显出响应速度快、电磁噪声小、结构形式灵活等优越特性。但是压电陶瓷的激励信号通常是高频高压信号，而且压电陶瓷是一种时变非线性元件，这就要求高可靠性的压电陶瓷驱动控制技术。

以超声波电机驱动器为代表，现有的各类超声波电机大多需要配备专用的驱动器，而目前适用于各类超声波电机的专用型驱动器通常采用高频升压变压器和阻抗匹配电路使压电元件获得接近正弦波的激励信号，这类驱动装置的效率高，但是由于阻抗匹配电路的存在使得这类驱动装置的通用性差、输出电压不可控、参数调整范围小；通用驱动装置通常采用正弦波发生电路或函数发生器获得低压正弦波，再经过线性功率放大电路获得高频高压正弦驱动信号，这类驱动装置获得的驱动信号中高次谐波含量少，通用性较好，但这类驱动装置结构复杂、成本高、效率难以超过10％，而且受制于高频变压器，参数调节范围有限。

为了提高驱动电路的通用性，一方面需要尽量扩大驱动电路输出信号的各个参数可调节范围，所述参数包括频率、电压和相位差，另一方面需要减小输出信号与负载(压电装置)的相关性。方波是一种容易获得并且高度可控的波形，被普遍应用到驱动电路中，但方波中的谐波含量高，并且冲击电流大，不易直接驱动容性负载，需要通过适配电路进行调整之后才能够与容性负载连接。

近年来，基于压电陶瓷的新型超声波电机和超声波换能器层出不穷、日新月异，而现有的压电陶瓷驱动装置均存在多种不足之处，所以研发一种通用性强、成本低、体积小、稳定可靠、操作简单的驱动装置将有助于该产业的发展。

发明内容

为了解决现有采用方波信号作为驱动信号存在的谐波含量高、冲击电流大的问题，以及现有压电装置驱动器存在的通用性差、输出信号参数调整范围与效率相互制约的问题，本发明提供了一种非谐振适配电路及使用该电路的压电装置驱动器。

一种非谐振适配电路，它由四个快恢复二极管和一个电感组成，第一快恢复二极管的负极、第三快恢复二极管的负极连接后为正电源Vo+输入端，第一快恢复二极管的正极连接第二快恢复二极管的负极，第三快恢复二极管的正极连接第四快恢复二极管的负极，第二快恢复二极管的正极、第四快恢复二极管的正极连接之后为负电源Vo-的输入端，所述第二快恢复二极管的负极连接电感的一端作为方波信号输入端，所述电感的另一端连接第四快恢复二极管的负极作为信号输出端。

本发明的非谐振适配电路，由于电感的感抗能够随着频率的升高而增大，而且内部电流不产生突变，因此能有效抑制方波中的高次谐波，还能抑制浪涌电流。四个快恢复二极管，能够有效地阻止负载端的等效电容与电感形成谐振回路，保证输出的电压信号的峰-峰值恒等于非谐振适配电路的正电源Vo+和负电源Vo-的电压差值。

一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，它包括数字控制电路、直流升压电路、n个隔离驱动电路、n个半桥电路和n个非谐振适配电路；直流升压电路用于根据设定电压Ur的控制下，将其输入的低压直流电压Uin转换成正电源Vo+和负电源Vo-，所述正电源Vo+和负电源Vo-是隔离驱动电路输出侧、半桥电路和非谐振适配电路的供电电源，数字控制电路输出n个方波控制信号分别给n个隔离驱动电路，每个隔离驱动电路分别输出驱动控制信号给每个半桥电路，每个半桥电路根据控制信号对其供电电源电压进行斩波后输出方波驱动信号给非谐振适配电路，所述n为正整数。

本发明的压电装置驱动器的具有输出信号的参数调节范围广、通用性强、成本低、能稳定可靠的特点，适用于各种超声波电机、超声波换能器等带有压电陶瓷的设备的驱动控制领域。

附图说明

图1是本发明的非谐振适配电路的结构示意图；图2是超声波电机的等效电路图；图3是图2所示的超声波电机的等效电路的简化图；图4是本发明所示的非谐波适配电路与超声波电机连接的电路原理示意图；图5至图8是本发明的非谐波适配电路的输入方波信号Ui和输出信号Uo的波形图，其中图6、图7和图8是在负载为60型行波超声电机，输入的方波驱动信号的频率分别为1kHz、44kHz和56kHz时，输入与输出波形的对比情况；图9是本发明的压电装置驱动器的电路原理示意图；图10是具体实施方式三所述的直流升压电路2的电路结构示意图；图11是具体实施方式六所述的孤极信号调理电路7的电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。一种非谐振适配电路，它由四个快恢复二极管D1、D2、D3、D4和一个电感L组成，第一快恢复二极管D1的负极、第三快恢复二极管D3的负极连接后为正电源Vo+输入端，第一快恢复二极管D1的正极连接第二快恢复二极管D2的负极，第三快恢复二极管D3的正极连接第四快恢复二极管D4的负极，第二快恢复二极管D2的正极、第四快恢复二极管D4的正极连接之后为负电源Vo-的输入端，所述第二快恢复二极管D2的负极连接电感L的一端作为方波信号输入端，所述电感L的另一端连接第四快恢复二极管D4的负极作为信号输出端。

非谐振适配电路的输入方波信号Ui和输出信号Uo的波形参见图5所示，由于电感的感抗随频率升高而增大，而且内部电流不产生突变，因此它能有效抑制方波中的高次谐波，还能抑制浪涌电流。所述四个快恢复二极管，能够有效地阻止电机的等效电容与电感形成谐振回路，保证输出的电压信号的峰-峰值恒等于非谐振适配电路的供电电源的正负供电电压的差值。

本实施方式所述的非谐振适配电路的工作过程为：设定输入的信号是占空比50％的方波，电感中电流连续变化，二极管的工作状态取决于开关管的状态以及电感中电流的方向，因此，该电路在不同的阶段对应不同的回路。现在，以输出波形的关键点为界，将一个周期划分成六个阶段，参见图4：ab阶段，输入电压为高电压，并持续高电压，电感内的电流由零逐渐增加，电感持续储存磁能量，输出电压逐渐上升；bc阶段，输入电压不变，电感内能量达到最大，电流稳定，输出电压保持正电源Vo+不变；cd阶段，输入电压从高突变到低，并维持低电压，电感中的磁能量逐渐回馈到电路中，输出电压保持正电源Vo+不变，直到电感内部电流下降为零；de阶段，输入电压持续为低电压，电感反向充电，输出电压逐渐下降；ef阶段，输入电压不变，电感中的能量达到最大，输出电压为负电源Vo-；fg阶段，输入电压从低电压突变到高电压，电感中的磁能量回馈到电路中，输出电压持续负电源Vo-，直到电感中电流下降为零，此后重复上述过程。

压电驱动装置为容性负载，以超声波电机作为负载为例说明，超声波电机的等效电路参见图2所示，将图2所示的超声波电机等效电路进行简化，获得图3所示的RC并联电路的简化模型。

本实施方式所述的非谐振适配电路在应用的时候，串联在驱动装置的输出端与超声波电机之间，参见图4所示，图中左侧是方波驱动电路，右侧是超声波电机的RC并联电路简化模型，该电路的工作原理是：方波驱动电路输出侧的开关管K1、K2交替导通，将正电源Vo+和负电源Vo-斩波后获得方波信号输出给非谐振适配电路，然后再连接到超声波电机的驱动信号输入端。

采用Multisim仿真系统对图4所示的电路进行分析，本实施方式的非谐振适配电路的信号输入端和信号输出端的信号的波形参见图5所示，图5中下面为输入的方波信号，上面为输出信号。

本实施方式所述的非谐振适配电路的电路结构简单，有效地解决了方波驱动中冲击电流大的问题，还抑制了方波中的高次谐波成分。另外，本实施方式所述的非谐振适配电路自身的能量损耗小、效率高，还能够保证输出信号的幅值、相位差、频率准确可控。

具体实施方式二：一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，它包括数字控制电路1、直流升压电路2、n个隔离驱动电路3、n个半桥电路4和n个非谐振适配电路5；直流升压电路2用于根据设定电压Ur的控制下，将其输入的低压直流电压Uin转换成正电源Vo+和负电源Vo-，所述正电源Vo+和负电源Vo-是隔离驱动电路3输出侧、半桥电路4和非谐振适配电路5的供电电源，数字控制电路1输出n个方波控制信号分别给n个隔离驱动电路3，每个隔离驱动电路3分别输出驱动控制信号给每个半桥电路4，每个半桥电路4根据控制信号对其供电电源电压进行斩波后输出方波驱动信号给非谐振适配电路5，所述n为正整数。

本实施方式中所述的非谐振适配电路5采用具体实施方式一所述的非谐振适配电路。

本实施方式中采用数字控制电路1控制输出驱动信号的频率和相位差，由于数字电路的控制技术比较成熟，使得输出的驱动信号的频率调节范围宽，能够达到0Hz-200kHz，相位差调节范围能够达到0°-360°。

本实施方式中的低压直流电压Uin的范围是10V至30V。

本实施方式中的数字控制电路1可以采用现有带有PWM模块的单片机系统，例如ARM单片机，可以更方便、准确的实现输出方波信号的频率、相位差的控制。

本实施方式中的数字控制电路1还可以采用带有D/A输出模块的单片机系统，所述数字控制电路1的模拟信号输出端输出直流电压信号给直流升压电路2，能够给直流升压电路2提供可调的输入电压信号，实现直流升压电路2输出电压的可调，方便控制输出驱动信号的峰峰值。

压电驱动装置为容性负载，如果直接用方波驱动，则在方波的上升沿和下降沿有很大的冲击电流，该电流会导致压电陶瓷和驱动装置发热甚至损坏。本实施方式中的驱动装置的输出信号经过非谐振适配电路5处理之后，将半桥电路4输出的方波信号通过电感隔离后传输到负载上，参见具体实施方式一所述，由于电感的特性是其内部电流不能突变，故能有效抑制上升沿和下降沿的冲击电流。二极管的作用是将电感中过剩的能量以及压电陶瓷逆压电效应产生的能量回馈到升压电路中，使电路工作稳定，并保证压电装置上获得的信号的峰-峰值恒为升压电路输出的正负高压的差值。采用本实施方式所述的驱动器控制压电装置，能够有效地减少驱动器和压电装置发热，提高了压电装置的使用寿命。

本实施方式所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器无须与负载进行阻抗匹配，输出参数调节范围宽，系统效率高、带载能力强、输出参数稳定，既有较强的通用性。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器的区别在于，所述直流升压电路2是单端反激型DC-DC变换电路，它由升压控制电路8、升压变压器T26、次级整流电路9、电压采样电路10和电压反馈电路11组成，其中升压控制电路8采用UC3842AN型开关电源专用控制芯片，电压反馈电路11的输出端连接升压控制电路8的输入端，所述升压控制电路8的一个输出端连接升压变压器T26的初级线圈的异名端，所述升压变压器T26的初级线圈的同名端连接低压直流电压Uin，所述升压变压器T26的次级线圈的中心抽头是输出电压的零电位，所述次级线圈的同名端连接第七二极管D7的负极，所述第七二极管D7的正极为负电源Vo-输出端，所述次级线圈异名端连接第五二极管D5的正极，所述第五二极管D5的负极为正电源Vo+输出端，在正电源Vo+输出端和输出电压的零电位之间并联有滤波电容和第二七电阻R27，在负电源Vo-输出端和输出电压的零电位之间并联有滤波电容和第二八电阻R28，电压采样电路10由两个电阻组成，其中第二九电阻R29的一端连接正电源Vo+输出端，所述第二九电阻R29的另一端为电压采用电路10的输出端，并且所述第二九电阻R29的另一端还连接第八电阻R8的一端，所述第八电阻R8的另一端连接输出电压的零电位；电压反馈电路11的一个输入端连接电压采用电路10的输出端，所述电压反馈电路11的另一个输入端连接设定电压Ur，所述电压反馈电路11将输入的两个信号进行差动放大后输出给升压控制电路8的输入端。

本实施方式中的升压变压器T26的次级线圈有中间抽头，相当两个次级线圈串联连接，增加了升压变压器的升压比，其输出信号经过二极管和电容整流后获得两路正负对称的正电源Vo+和负电源Vo-。

本实施方式中的电压采样电路10是由两个电阻R29、R8串联在正电源Vo+和地线之间进行分压，两只电阻R29、R8的连接处为电压采样电路10的输出端。

本实施方式中的电压反馈电路11采用一个运放U8B将电压采样电路10输出的分压信号整形处理之后输出给另一个运放U8A的正向输入端，所述另一个运放U8A将其负向输入端输入的设定电压Ur与正向输入端输入的分压信号进行差动放大后输出给升压控制电路8，所述设定电压Ur可以采用外部的基准电压源输出，也可以采用带有D/A功能模块的数字控制电路1输出。

本实施方式所述的直流升压电路2，具有升压比可调范围宽的优点。本实施方式中的升压变压器采用双副边绕组的结构，并且所述双副边绕组串联连接，当输入的低压直流电压Uin为10V～30V时，其输出电压的调节范围能够达到20V～400V，可适用于多种压电装置的驱动控制。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器的区别在于，它还包括辅助电源6，所述辅助电源6为数字控制电路1、直流升压电路2和隔离驱动电路3提供工作电源电压。

本实施方式所述的辅助电源6可以采用多路输出的开关电源电路结合线性调压电路来实现。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器的区别在于，所述隔离驱动电路3采用光电隔离芯片和自举驱动芯片实现。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器的区别在于，它还包括孤极信号调理电路7，所述孤极信号调理电路7的孤极反馈信号输出端连接数字控制电路1的孤极反馈信号输入端。

本实施方式所述的使用非谐振适配电路的压电装置驱动器适用于对超声波电机的驱动控制，通过孤极信号调理电路7采集超声波电机的孤极信号Sf给数字控制电路1，进而实现频率跟踪，为实现采用IPD算法自动调整输出驱动信号的频率提供了准确可靠的数据。

本实施方式中的数字控制电路1可以采用带有A/D模块的单片机，便于处理所述孤极信号调理电路7输出的信号，以实现自动控制。

本实施方式通过孤极信号调理电路7和数字控制电路1实现了基于孤极信号的闭环控制。在控制超声波电机运行的过程中，控制输出的驱动信号使孤极反馈信号保持不变，从而补偿温度、负载变化所导致的压电陶瓷振幅变化。通过改进该系统的程序，还能实现更复杂更灵活的控制算法。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器的区别在于，所述孤极信号调理电路7由整流电路13和滤波及电压跟随电路12组成，所述整流电路13输出端连接滤波及电压跟随电路12的输出端，所述滤波及电压跟随电路12的孤极反馈信号输出端连接数字控制电路1的孤极反馈信号输入端。。

本实施方式中的整流电路13由隔直电容C51、半波二极管D27、半波电容C50和钳位二极管D28组成，隔直电容C51的一端连接输入的孤极信号Sf，所述隔直电容C51的另一端同时连接半波二极管D27的正极和钳位二极管D28的负极，所述半波二极管D27的负极同时连接滤波及电压跟随电路12的输入端和半波电容C50的一端，所述半波电容C50的另一端和钳位二极管D28的正极同时连接电源地。

在实际应用的时候，本实施方式所述的整流电路13的输入端连接超声波电机的孤极信号输出端，所述整流电路13中的半波二极管D27、半波电容C50形成半波整流电路，对输入的信号进行整流。所述钳位二极管D28将整流的电压信号的基准电压提升到零电位，使整流电路输出的直流电压值为孤极反馈信号的峰-峰值。

所述整流电路13的工作过程是将输入的孤极信号Sf通过隔直电容C51滤出直流信号，然后通过半波整流电路进行整流，再通过钳位二极管D28将信号的波形的基准点定为电源地，半波整流电路输出的信号就是孤极信号的峰-峰值。

本实施方式中的滤波及电压跟随电路12由分压电路、滤波电路和电压跟随电路组成，分压电路将输入的电压信号进行分压处理后输出给滤波电路，所属滤波电路输出信号给电压跟随电路，所述电压跟随电路输出孤极反馈信号给数字控制电路1。

所述滤波及电压跟随电路12可以根据实际情况，采用多级滤波和电压跟随电路。例如当采用两级的滤波和电压跟随电路时，参见图11，采用电阻和电位器组成分压电路，分压后的信号经过电容C28滤波之后输出给一个电压跟随电路，所述电压跟随电路输出信号经过电阻R21和电容C27串联形成的滤波电路滤波后输出给另一个电压跟随电路，所述另一个电压跟随电路输出孤极反馈信号给数字控制电路1。

Claims (9)

1、一种非谐振适配电路，其特征在于它由四个快恢复二极管(D1、D2、D3、D4)和一个电感(L)组成，第一快恢复二极管(D1)的负极、第三快恢复二极管(D3)的负极连接后为正电源Vo+输入端，第一快恢复二极管(D1)的正极连接第二快恢复二极管(D2)的负极，第三快恢复二极管(D3)的正极连接第四快恢复二极管(D4)的负极，第二快恢复二极管(D2)的正极、第四快恢复二极管(D4)的正极连接之后为负电源Vo-的输入端，所述第二快恢复二极管(D2)的负极连接电感(L)的一端作为方波信号输入端，所述电感(L)的另一端连接第四快恢复二极管(D4)的负极作为信号输出端。

2、一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于它包括数字控制电路(1)、直流升压电路(2)、n个隔离驱动电路(3)、n个半桥电路(4)和n个非谐振适配电路(5)；直流升压电路(2)用于根据设定电压Ur的控制下，将其输入的低压直流电压Uin转换成正电源Vo+和负电源Vo-，所述正电源Vo+和负电源Vo-是隔离驱动电路(3)输出侧、半桥电路(4)和非谐振适配电路(5)的供电电源，数字控制电路(1)输出n个方波控制信号分别给n个隔离驱动电路(3)，每个隔离驱动电路(3)分别输出驱动控制信号给每个半桥电路(4)，每个半桥电路(4)根据控制信号对其供电电源电压进行斩波后输出方波驱动信号给非谐振适配电路(5)，所述n为正整数。

3、根据权利要求2所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于所述数字控制电路(1)是带有PWM模块的单片机系统。

4、根据权利要求2所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于，所述数字控制电路(1)是带有D/A输出模块的单片机系统，所述数字控制电路(1)的模拟信号输出端输出设定电压Ur给直流升压电路(2)。

5、根据权利要求2所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于，所述低压直流电压Uin的范围是10V至30V。

6、根据权利要求2所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于，所述直流升压电路(2)是单端反激型DC-DC变换电路，它由升压控制电路(8)、升压变压器(T26)、次级整流电路(9)、电压采样电路(10)和电压反馈电路(11)组成，其中升压控制电路(8)采用UC3842AN型开关电源专用控制芯片，电压反馈电路(11)的输出端连接升压控制电路(8)的输入端，所述升压控制电路(8)的一个输出端连接升压变压器(T26)的初级线圈的异名端，所述升压变压器(T26)的初级线圈的同名端连接低压直流电压Uin，所述升压变压器(T26)的次级线圈的中心抽头是输出电压的零电位，所述次级线圈的同名端连接第七二极管(D7)的负极，所述第七二极管(D7)的正极为负电源Vo-输出端，所述次级线圈异名端连接第五二极管(D5)的正极，所述第五二极管(D5)的负极为正电源Vo+输出端，在正电源Vo+输出端和输出电压的零电位之间并联有滤波电容和第二七电阻(R27)，在负电源Vo-输出端和输出电压的零电位之间并联有滤波电容和第二八电阻(R28)，电压采样电路(10)由两个电阻组成，其中第二九电阻(R29)的一端连接正电源Vo+输出端，所述第二九电阻(R29)的另一端为电压采用电路(10)的输出端，并且所述第二九电阻(R29)的另一端还连接第八电阻(R8)的一端，所述第八电阻(R8)的另一端连接输出电压的零电位；电压反馈电路(11)的一个输入端连接电压采用电路(10)的输出端，所述电压反馈电路(11)的另一个输入端连接设定电压Ur，所述电压反馈电路(11)将输入的两个信号进行差动放大后输出给升压控制电路(8)的输入端。

7、根据权利要求2所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于，它还包括孤极信号调理电路(7)，所述孤极信号调理电路(7)的孤极反馈信号输出端连接数字控制电路(1)的孤极反馈信号输入端。

8、根据权利要求7所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于所述孤极信号调理电路(7)由整流电路(13)和滤波及电压跟随电路(12)组成，所述整流电路(13)输出端连接滤波及电压跟随电路(12)的输出端，所述滤波及电压跟随电路(12)的孤极反馈信号输出端连接数字控制电路(1)的孤极反馈信号输入端。

9、根据权利要求8所述的一种使用非谐振适配电路的压电装置驱动器，其特征在于所述整流电路(13)由隔直电容(C51)、半波二极管(D27)、半波电容(C50)和钳位二极管(D28)组成，隔直电容(C51)的一端连接输入的孤极信号Sf，所述隔直电容(C51)的另一端同时连接半波二极管(D27)的正极和钳位二极管(D28)的负极，所述半波二极管(D27)的负极同时连接滤波及电压跟随电路(12)的输入端和半波电容(C50)的一端，所述半波电容(C50)的另一端和钳位二极管(D28)的正极同时连接电源地。

Images