CN101599715B - 动态双极性压电陶瓷驱动电源和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于压电陶瓷等容性负载驱动的动态双极性驱动电源，包括有信号波形发生单元、直流供电电源和信号放大驱动单元。信号波形发生单元通过软件产生需要的波形信号输出到数模转换板，数模转换后输出模拟信号到电压放大电路输入端，电压放大电路输出端接功率放大电路的输入端，功率放大电路采用并联推挽的电流跟随放大形式，其输出接压电陶瓷负载的正电极，负载负极接地。驱动电源驱动正弦频率可达到20KHz，输出电压达到±150伏，输出电流峰峰值可达3安培。可输出正弦波、三角波、方波和锯齿波等标准波形，并可添加直流偏置，具有控制准确灵活、动态特性好、波形失真小等特点，可用于压电驱动器的动态控制和性能测试。

Description

动态双极性压电陶瓷驱动电源和实现方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动电源领域，特别涉及一种动态双极性压电陶瓷驱动电源，它具有直流输出和动态至音频范围的宽频带驱动能力，并具有正负双极性输出功能，适合于压电陶瓷驱动器等容性负载的宽频带动态双极性驱动电源。

背景技术

压电陶瓷驱动器是新型的微型驱动器件，其利用压电陶瓷的逆压电效应原理工作，因具有纳米级分辨率和快速响应速度的特点，在微电子和精密机械领域具有广泛的应用前景。压电陶瓷驱动器属于一种容性负载，通常具有较大的等效电容，虽然此类负载在静态情况下消耗功率很小，需要的维持电流也很小，但在动态情况下，需要的驱动电流与其等效电容、驱动电压、驱动频率三者成正比，其等效阻抗随频率升高而降低，即随频率提高所需动态驱动电流越高，在需要输出高压、高频率动态驱动时，其驱动电源应具有高输出电流和高的峰值输出功率。目前的驱动电路尚不能在高频率范围内提供可靠的驱动能力，压电驱动器的快速响应能力受到了限制，并且大部分只能提供单向驱动，对于需要正负双极性驱动的场合也无法满足要求，因此驱动电源的驱动能力不足成为压电驱动器动态应用的瓶颈。另外，在实际应用中如何能快速准确地产生各种驱动波形并且能够动态调整改变，以适应各类压电陶瓷驱动器功能测试或应用调试，也是使用压电陶瓷人员比较关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态双极性压电陶瓷驱动电源和实现方法，可以解决目前容性负载驱动电源在高频范围内驱动能力的不足，通过提高驱动电流的方法为压电陶瓷等容性负载提供宽范围的动态高功率驱动电源，具有正负双向电压输出能力，以满足压电驱动器件的双向运动需要。并利用虚拟仪器概念设计了控制软件产生信号波形，由计算机通过数模转换输出到放大驱动单元，可以产生可调直流信号及正弦、方波、三角波等各种标准波形，且可根据需要进行复杂波形扩展，实现了控制准确灵活、适应性好、稳定性高的特点。

本发明提供的一种动态双极性压电陶瓷驱动电源包括：

信号波形发生单元，用于产生需要得各种标准或自定义波形，以适应不同的驱动要求。

直流供电单元，用于为信号放大驱动单元提供所需的正负直流电压。

信号放大驱动单元，用于承担前级模拟信号的电压放大和功率放大，实现对负载的大功率驱动。

信号波形发生单元的结构采用计算机及虚拟仪器软件程序、数模转换卡硬件共同构成，其工作原理为通过基于计算机上的虚拟仪器软件平台开发的波形产生软件，根据需要设置输出信号类型、频率、幅值、电压偏置等参数，并生成对应的离散化波形数据，该信号波形数据经由USB端口接数模转换板的输入端，经过数模转换后产生模拟信号，送到下一级放大驱动单元。

信号放大驱动单元结构包括两级放大，第一级为电压放大级，采用高压集成运放形式，负责对前一级信号波形发生单元的信号进行电压放大，第二级为功率放大，采用多组NMOS管和PMOS管构成推挽形式的互补输出，实现对第一级电压放大的电流扩展，采用的多组并联推挽提高了电源的输出能力。信号波形发生单元输出的模拟信号连结到第一级电压放大的输入端，第一级电压放大的输出端连接到第二级电流放大的输入端，第二级的输出端连接到容性负载，可以为压电陶瓷等容性负载提供较高的驱动功率。为防止MOS管在瞬时或连续高电流下损坏，在工作电路中为每个MOS管设计了限流电路，通过限流取样电阻获取输出电流，一旦输出电流超过预定值，限流三极管导通，从而限制输出电流的增大，实现对MOS管的过流保护。

直流供电单元结构包括：两路变压、整流、滤波电路组成，分别输出正电压和负电压提供给信号放大驱动单元。采用了两路独立的电路，分别将220伏交流电连接到隔离变压器的输入级，变压器的输出级连接到整流桥的输入端，整流桥的输出端连接接滤波电路，实现电源的降压，并将单向不稳定脉动电压转换为稳定的直流电压。最后将两路直流电源进行串联，第一路的负极连接第二路的正极，并将其作为公用端接地，第一路的正极输出为正电压，第二路的负极输出为负电压，并将其分别连接到信号放大驱动单元的正负电压输入端Vp和Vn。

本发明提供的动态双极性压电陶瓷驱动电源的实现方法包括的步骤：首先由直流供电单元为信号放大驱动单元提供直流高压电压，然后启动驱动电源控制软件，通过计算机的软件界面输入所需波形信号的类型、频率、幅值、偏置等参数，确认无误后点击输出，则将生成的离散化波形信号经由数模转换输出对应的模拟电压信号，该信号经过信号放大驱动单元完成电压放大和功率放大后，输出到容性负载上。

本发明提供的动态双极性压电陶瓷驱动电源解决了目前容性负载驱动电源在高频范围内驱动能力的不足。该动态高功率驱动电源具有正负双向电压输出能力，，输出电压范围可达到±150伏，动态特性好，其工作频率范围可达到0-20KHz，全频带范围内可实现满电压范围输出，峰峰值输出电流可达到3安培，能满足压电驱动器件的双向驱动需要，并利用虚拟仪器概念设计了控制软件以产生信号波形，由计算机通过数模转换输出到放大驱动单元，可以产生可调直流信号及正弦、方波、三角波、锯齿波等各种标准波形，且可根据需要进行复杂波形扩展，实现了控制准确灵活、适应性好、稳定性高的特点。

附图说明

图1是驱动电源总体原理框图。

图2是控制软件的总体结构图。

图3是标准连续波形产生的程序流程图。

图4是驱动放大电路原理图。

图5是驱动容性负载输出5KHz，±150伏正弦波图。

图6是带容性负载输出10KHz、±150伏正弦波图。

图7是带容性负载输出20KHz、±150伏正弦波图。

具体实施方式

以下结合附图说明采用本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明主要由信号波形发生单元、信号放大驱动单元以及直流供电单元组成。其中信号波形发生单元用于产生负载工作中需要的各种信号波形。信号放大驱动单元实现对前端信号的电压及功率放大，以适应负载所需的功率要求。直流供电单元为信号放大驱动单元提供正负直流电压。驱动电源信号产生到驱动过程如下：通过软件参数设置产生所需波形离散化波形数据，经过计算机的USB传输到数模转换器，并严格按照定时时钟进行数字量到模拟量的转换、输出，模拟信号输入到高压运算放大器的同相输入端进行电压放大，再通过电流扩展电路实现功率放大，最终输出驱动负载。

信号波形发生单元采用计算机和基于虚拟仪器软件开发的软件产生波形和进行输出控制，并将离散化信号波形通过USB接口传送到数模转换板，转换为模拟信号输出。信号波形编辑通过计算机上的软件界面进行控制，控制内容包括波形类型、波形幅值、偏置电压，其中波形类型包括正弦波、三角波、方波、锯齿波，波形输出最大值±10伏，通过偏置电压设置可以为波形添加直流偏置电压，实现非对称波形输出，并可以预览输出波形。工作过程中可动态改变参数并可实现波形实时动态输出。

图2所示为软件的总体结构，采用了模块化的设计方法，将程序划分为主程序和各子程序，对应不同类型的波形分别采用不同的模块完成。主程序用于界面的管理和各子程序的调用，以及硬件参数的传递。硬件参数设置模块用于硬件的控制，包括数模输出卡的输出更新率和放大电路的放大倍数设置，以及对输出信号最大最小值的设置，以避免超出负载的工作电压范围而损坏负载。其余各子模块分别用于完成标准连续波形产生、单周期标准波形产生、直流信号产生、正弦扫频信号产生和自定义波形产生。

图3表示标准连续波形产生的软件程序流程，其工作过程为选择波形形式，可选正弦波、三角波、方波、锯齿波，然后设置产生信号的频率、幅值、直流偏移量、方波信号可以调整占空比，设置完成后与预先定义的输出最大最小值进行比较，如果超限则截去超出范围的数值，并在预览窗口中显示预计输出波形，观察无误后点击波形输出按钮，启动数模转换将信号转换为模拟信号，再发送到放大单元放大后作用到容性负载上，如此循环反复直到按下停止输出，波形输出过程中可随时对信号的形式、频率、幅值、直流偏移量等参数进行调整改变，并在调整完成后即时将改变的信号进行输出，无需停止当前的信号重新启动。单周期波形程序输出流程与此类似，不同点仅在于每次仅输出一个周期的信号。直流信号产生程序的流程与此不同点在于每次产生的波形是定值，仅在电压变化时调整输出信号。正弦扫频信号产生程序的流程中首先设置起止频率、扫频方式、电压幅值、直流偏移量等参数，启动输出后自动按照设定的范围输出信号并控制扫频过程。自定义波形产生程序可以将预先定义的任何波形信号进行输出。

采用高压运放是经常采用的高压驱动方式，但通常高压运放输出电流不足不能满足高压大电流的条件，需要加以扩展提高其工作范围，为此信号放大驱动单元采用了高压运放和功率放大两级实现需要的高压大功率输出。

如图4所示，电压放大电路以高压运算放大器OP1为核心，前一级数模转换后的模拟信号从高压运放OP1同相输入端引脚输入，同相输入与反相输入端引脚间通过二极管Dd1、Dd2、Dd3、Dd4实现电压钳位在±1.4伏，以保护运放输入，具体接法为Dd1负极接OP1同相输入端，Dd1正极接Dd2负极，Dd2正极接OP1反相输入端，Dd3正极接OP1同相输入端，Dd3负极接Dd4正极，Dd4负极接OP1反相输入端，运放OP1的正电源引脚接Vp，负电源引脚接Vn，Vp和Vn分别为直流正负电源的正电源和负电源输出端。电阻Rc1为运放的输出限流电阻，一端接运放的输出端引脚，另一端接运放的限流端引脚，以控制运放的输出电流，保持运放工作在安全工作区内，同时运放的输出端连接下一级功率放大电路的输入端。电阻Rf的一端接OP1的反相输入端，另一端接功率放大电路末端的输出，构成运放的反馈通道，电阻Rf1的一端接OP1的反相输入端引脚，另一端接地，Rf和Rf1的值确定了电压放大倍数。电阻Rc和电容Cc串联后接入运放OP1的两个补偿引脚之间作为补偿元件，防止自激振荡产生。

功率放大电路采用6路并联的推挽场效应管组成电流扩展电路实现，每一路包括NMOS管和PMOS管组成的乙类推挽放大电路以及限流电路。Q1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11为NMOS功率管，采用并联方式共同承担输出信号的正半周信号驱动，其漏极接直流供电电源的正电压输出端；Q2、Q4、Q6、Q8、Q10、Q12为PMOS功率管，采用并联方式共同承担输出信号的负半周信号驱动，其漏极接直流供电电源的负电压输出端。各组NMOS管电路基本相同，下面以Q1所在的驱动单元为例进行说明：前级电压放大后由高压运放OP1输出端经电阻R1接NMOS管Q1的栅极，Q1的源极接限流电阻R2的一端，R2的另一端接输出缓冲电阻R37，电阻R2、R3、二极管D1、npn型三极管T1共同构成Q1的限流电路，二极管D1正极接高压运放OP1的输出，负极接三极管T1的集电极，T1的基极接电阻R3的一端，R3的另一端接Q1的源极，三极管T1的发射极与限流电阻R2一样接输出缓冲电阻R37，电阻R3为三极管限流电阻，限流电路的工作原理为当通过R2的电流超过限定值时，其两端的电压使T1导通，电流经D1、T1流过并将Q1的栅源电压降低到导通电压以下，从而使Q1关断，保护Q1不致过流而损坏。对于各组PMOS管，其电路也基本相同，以Q2所在的驱动单元为例进行说明：高压运放OP1输出端经电阻R4接PMOS管Q2的栅极，Q2的源极接限流电阻R5的一端，R5的另一端接输出缓冲电阻R37，电阻R5、R6、二极管D2、pnp型三极管T2共同构成Q2的限流电路，二极管D2负极接高压运放OP1的输出，正极接三极管T2的集电极，T2的基极接电阻R6的一端，R6的另一端接Q2的源极，三极管T2的发射极与限流电阻R5一样接输出缓冲电阻R37，电阻R6为三极管限流电阻，限流电路的工作原理为当通过R5的电流超过限定值时，其两端的电压使T2导通，电流经T2、D2流过并将Q2的栅源电压降低到导通电压以下，从而使Q2关断，保护Q2不致过流而损坏。

驱动阻性负载时，输出到负载的电压和电流基本上处于同相位，而流过驱动管上的电压和电流正好相反，即管压降最大时电流极小，电流最大时管压降最大，因此驱动管消耗功率较小。而驱动容性负载时，输出到负载的电流超前电压，纯粹的容性负载相位差为90度，功率管上的管压降和电流不再是相反的关系，因此与驱动阻性负载相比，驱动容性负载时功率管消耗功率大大增加，为此功率管上的散热是非常重要的，为此在运放和功率管上均采用了大面积的散热片，并增加了风扇提高散热效率。

采用推挽结构形式将对压电陶瓷等容性负载的充放电分别由NMOS管和PMOS管完成，并采取多组并联驱动可以降低对功率器件的要求，同等输出功率条件下，由多组功率管共同承担减轻了每个场效应管的功耗，可以提高电源的动态驱动能力，为压电陶瓷驱动器等容性负载实现快速响应提供可靠的驱动。

图5所示为驱动容性负载，输出电压±150伏、频率为5KHz时，通过示波器观察到的输出电压和电流波形，其中CH1为电压波形，可见波形失真较小，且电压峰峰值达到了300伏，CH2为通过串联1欧姆小电阻取得的等效电流波形，图中可见电流波形超前于电压波形90度，电流和电压波形交越失真均较小。

图6为驱动容性负载，输出电压±150伏、频率为10KHz时，通过示波器观察到的输出电压波形。

图7所示为驱动容性负载，输出电压±150伏、频率为20KHz时，通过示波器观察到的输出电压和电流波形，可见电流波形超前于电压波形约90度，其中CH1为电压波形，可见波形失真较小，且电压峰峰值达到了290伏，CH2为通过串联1欧姆小电阻取得的等效电流波形，可见输出电压同频率为5KHz时相比略有下降，但仅下降了约0.3dB，仍然接近于300伏，电流峰峰值约为2.58安培，且未出现削波现象，交越失真略大，但电压波形没有出现明显的畸变。

测试表明在20KHz范围内对容性负载均具有约±150伏的输出驱动能力，可以满足压电陶瓷等容性负载宽频带动态双极性驱动的需要。

Claims (4)

1.一种具有双极性输出功能的动态双极性压电陶瓷驱动电源，其特征在于它包括信号发生单元，信号放大驱动单元和直流供电单元，信号发生单元通过计算机中的软件控制产生波形数据，经过计算机的USB端口输出到数模转换器的输入端，数模转换后的数据经输出端连接信号放大驱动单元的电压放大电路输入端，电压放大电路的输出端接功率放大电路的输入端，功率放大电路的输出端接压电陶瓷负载正输入端，电压放大电路采用电压负反馈方式，其取样电阻一端接功率放大电路的输出端，另一端接到电压放大电路的反相输入端，直流供电电源的正负电压输出端分别接电压放大电路和功率放大电路的正负电源输入端。

2.根据权利要求1所述的动态双极性压电陶瓷驱动电源，其特征在于：信号波形产生通过计算机上的基于虚拟仪器的软件生成，参照直接数字频率合成原理，具有标准连续波形产生、单周期标准波形产生、直流信号产生、正弦扫频信号产生和自定义波形产生功能；对于标准连续波形，通过设置波形类型、频率、幅值、直流偏置参数，将波形生成等时间间隔数据列，分段传送到数模转换板，以等时间间隔进行数模转换输出模拟信号，并不断重复此过程，实现预期波形的连续输出，波形所有参数可动态精确调整，调整完成即时输出，具有产生各种单周期波形和直流信号功能，可实现单个周期信号的输出和直流信号的输出，同样可以实现各项波形参数的精确设置，具有可设定的正弦扫频信号和自定义波形的输出功能。

3.根据权利要求1所述的动态双极性压电陶瓷驱动电源，其特征在于：信号放大驱动采用电压放大和功率放大两级构成，电压放大采用电压负反馈高压集成运放，高压运放同相输入端接前级的模拟信号波形，反相输入端接反馈电阻Rf和Rf1，电阻Rf1的另一端接地，Rf的另一端接功率放大电路的输出端，Rf的两端并联小电容Cf作为补偿，运放OP1的同相输入与反相输入端引脚间通过二极管Dd1、Dd2、Dd3、Dd4实现电压钳位；功率放大采用多组NMOS管和PMOS管构成推挽形式的互补输出实现大功率驱动，多组NMOS管并联共同承担输出信号的正半周信号驱动，多组PMOS管并联共同承担输出信号的负半周信号驱动，每一组MOS管具有独立的限流保护，分别通过取样电阻、单向二极管、三极管、三极管限流电阻实现。

4.根据权利要求1或3所述的动态双极性压电陶瓷驱动电源，其特征在于：直流供电电源为正负双路供电，对放大电路提供对称正负电压Vp和Vn，驱动电源输出具有正负双极性驱动能力。

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