CN102005941A

CN102005941A - 一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源

Info

Publication number: CN102005941A
Application number: CN 201010523039
Authority: CN
Inventors: 陈华; 贺斌; 聂雄
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: CN102005941B

Abstract

一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，由单片机系统、前级高压稳压电路、数控电位器、功率放大电路、高压稳压电源和放电回路连接组成。前级高压稳压电路输出端与数控电位器的正负端连接，数控电位器分压后通过调整端连接功率放大电路的同相输入端，功率放大电路由低压功放和高压功放组成，采用电压跟随的放大形式，通过高压稳压电源供电，其输出端正端连接放电回路的正极，放电回路的输出端正端连接压电陶瓷驱动器的正极，驱动器的负极接地。该驱动电源可实现对电压精密控制，输出电压稳定，分辨率可自由扩展，静态功耗小。

Description

一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源

一、技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动器的精密控制技术领域，具体是一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源。

二、背景技术

压电陶瓷驱动器是一种体积小、推力大、位移精度高、分辨率高、不发热，不产生噪声的微位移驱动器件，在精密定位、纳米制造技术、纳米生物工程领域中得到了广泛的应用，而压电陶瓷驱动器的驱动离不开压电陶瓷驱动电源，其微位移与驱动电源的输出电压呈近似的线性变化，所以，其微位移驱动是保证压电陶瓷驱动器实现其功能的关键技术。压电陶瓷驱动器等效于一种容性负载，通常具有较大的等效电容，如德国piezosystem jena公司的压电陶瓷驱动器的电容量达7.2uF，此类大容值负载在静态下消耗的功率极小，需要的维持电流也很小，但是在动态情况下，需要的驱动电流与等效电容、驱动电压和驱动频率成正比，所以，压电陶瓷驱动电源应具有较大的峰值输出电流和峰值输出功率，同时，压电陶瓷驱动器应用于精密定位高精度场合时，要求驱动电源的输出电压较高，具有高稳定性和高分辨率，而且能够随着控制信号的幅值变化而变化，实现数控可调。所以，为了能发挥压电陶瓷驱动器的优势，就实现压电陶瓷驱动电源的要求和提升其性能具有重要的理论意义和实用价值。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，它能够提高压电陶瓷驱动器的充放电电流，并给出高稳定性、高分辨率、数控可调和良好动态特性的压电陶瓷驱动电源电路。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，它由单片机系统、前级高压稳压电路、数控电位器、功率放大电路、高压稳压电源和放电回路连接组成，前级高压稳压电路从高压稳压电源中分压产生高稳定度的高压电压，输出到数控电位器的正负端，数控电位器受单片机系统控制，调节分压后通过调整端连接功率放大电路的同相输入端，功率放大电路由前级低压功放和后级高压功放组成，采用电压跟随的功率放大形式，通过高压稳压电源供电，其输出端正端连接放电回路的正极，负端接地，放电回路的输出端正端连接压电陶瓷驱动器的正电极，负端接地，压电陶瓷驱动器的负极接地，高压稳压电源的电压输出的正负端分别连接功率放大电路的正负电源输入端。

所述前级高压稳压电路是从高压稳压电源中分压，由多组大电流输出的集成三端稳压器电路串联组成。

所述数控电位器由顺序串联的两组电阻阵列构成，每一组电阻阵列均由12个呈两倍关系依次递增的电阻串联而成，每一个电阻的两端并联了一个电压隔离开关，两组电阻阵列的电压隔离开关的输入端分别采用带非门互补的数字信号并行控制，调整端取自两组电阻阵列的公共端。

所述数控电位器的最大电压和最大电流由电阻阵列中阻值最大的电阻决定，分辨率由电阻阵列中阻值最小的电阻决定，每一组电阻阵列的阻值分别为：R，4R，8R，16R，32R，…，2^n-1R。

所述数控电位器中的电压隔离开关采用光耦式的场效应管驱动器，驱动控制N沟道MOS管导通或开路。

功率放大电路的输出端正端通过接负反馈电阻连接前级低压功放的反相输入端，并在反馈电阻的两端并联一电容，功率放大电路的同相输入端与反相输入端之间连接有二极管，后级高压功放由两组N沟道MOS管单元电路并联组成，每一组MOS管单元电路设有独立的限流保护。

所述的放电回路采用二极管进行电压采样，比较器控制高压三极管并联导通放电的形式来对压电陶瓷驱动器进行放电。放电的形式主要有大电压放电和小电压放电，当采样二极管正端即功率放大电路的输出端电压减少较大，比其负端低0.5V时，采样二极管截止，比较器输出正电压，控制高压三极管并联导通对电压陶瓷驱动器进行快速放电，提高动态特性，当采样二极管正端的电压减少较小时，采样二极管仍然导通，此时压电陶瓷驱动器主要通过采样二极管后端并联的两个电阻构成的回路进行放电，所以这两个电阻不宜取太大，以提高放电特性，同时又不能取太小，以减少驱动电源的静态功耗。

其中，采样二极管对电压采样后，由并联在采样二极管两端的两组电阻分别进行分压，送给比较器的反相输入端，与同相输入端进行比较。放电回路的输入端的正端连接功率放大电路的输出端的正端，放电回路的输入端的负端接地，输出端的正端连接压电陶瓷驱动器的正端，输出端的负端接地。

本发明的突出效果在于：

由于采用前级高压稳压电路代替前级电压放大作为输入，产生稳定的210V的直流电压输出，然后送给数控电位器的正负端，通过分辨率为12位的数控电位器控制调节分压送给功率放大电路，进行电压跟随功率放大，最后经过放电回路将电压输出给压电陶瓷驱动器，输出电压范围在0到210V内数控可调，精度为50mV，输出最大电流为1.5A。整个工作过程实现对电压精密控制，输出电压范围大，稳定性好、控制方便，输出电流大，特别是分辨率可根据实际需要自由扩展，提高驱动电源的性能。

本发明所述高稳定性是指压电陶瓷驱动电源输出电压纹波的最大值小于20mV；高分辨率是指分辨率达到2的12次方；精度由数控电位器中阻值最小的电阻决定，达到50mV；良好动态特性是指动态控制的频率最大值可达150HZ。

四、附图说明

图1为整个实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源控制压电陶瓷驱动器的总体框图，其中虚线框内为本发明所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源的方框图。

图2为数控电位器内部的电压隔离开关的内部电路结构图。

图3为数控电位器的总体结构原理图。

图4为高压稳压电源的电路结构原理图，其中前10组每组稳压电路输出30V的稳定电压，取第4组到第10组的电压之和作为前级高压稳压的输出，Vs+端的对地电压为210V，第10组的负端接地。

图5为功率放大电路的电路结构原理图。

图6为放电回路的电路结构原理图。

图7为压电陶瓷驱动器等效电容图。

图8为压电陶瓷驱动电源的输出电压随输入信号线性变化的曲线图。

图9为从示波器拍摄到的单片机系统产生矩形波信号的波形图。

图10为从示波器拍摄到的单片机系统产生的矩形波信号控制数控电位器中阻值最小的电阻R两端的电压变化时，压电陶瓷驱动电源的输出电压变化的波形图。

图11为从示波器拍摄到的压电陶瓷驱动电源的输出电压随着单片机系统产生的矩形波信号而相应变化的波形图。

五、具体实施方式

以下通过附图和实例对本发明所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明主要由单片机系统1、前级高压稳压电路2、数控电位器3、功率放大电路4、高压稳压电源5和放电回路6连接组成，分辨率可自由扩展。前级高压稳压电路2的输出正端Vs+端连接数控电位器3的正端Rh，负端接R1并接地，数控电位器3受单片机系统1的控制，控制调节分压后通过调整端Rw输出连接功率放大电路4的同相输入端，功率放大电路4通过高压稳压电源5供电，采用电压跟随的功率放大形式，由前级低压功放和后级高压功放组成，其输出端正端连接放电回路6的正极，负端接地，放电回路6的输出端正端连接压电陶瓷驱动器7的正极，压电陶瓷驱动器7的负极接地，高压稳压电源5的正负电压输出端VCC+和VEE-分别连接功率放大电路4的正负电源输入端。

如图2所示，高压稳压电源5由11组分别经过变压、整流、滤波、稳压的电路串联组成，变压器的初级输入220V交流，输出10组有效值电压为32V的交流和1组有效值电压为18V的交流，分别经过整流、滤波和稳压，前10组每组输出30V的直流稳压电压，10组共300V，最后一组输出负15V的直流稳压电压，具备大电流输出，其输出的正端VCC+对地电压为300V，负端VEE-对地电压为负15V。

前级高压稳压电路2从高压稳压电源5中分压组成，取第4组到第10组共7组，每组输出30V的直流稳压电压，共210V，其输出的正端Vs+接数控电位器3的Rh端，对地电压为210V，负端即GND端接数控电位器的R1端并接地。

如图3所示，数控电位器3由顺序串联的两组电阻阵列构成，每一组电阻阵列均由12个呈2倍关系依次递增的电阻串联而成，每一个电阻的两端并联了一个电压隔离开关，每一个电压隔离开关的输入端串联了一个160欧的限流电阻，第一组电阻阵列中的每一个电压隔离开关与第二组电阻阵列中对应的电压隔离开关分别通过连接非门74LS04D呈互补关系，即当第一组电阻阵列中的电压隔离开关Switch0开启时，第二组电阻阵列中的电压隔离开关Switch0#则关闭，同样，后面两组电阻阵列中的其他11个电压隔离开关相互呈互补关系。所以，两组电阻阵列的电压隔离开关的输入端分别采用带非门互补的数字信号D0到D11进行并行控制，保证两组电阻阵列之和是固定值，使数控电位器3的正端Rh端与负端R1端之间的总电阻维持不变，调整端Rw取自两组电阻阵列的公共端，对负端R1之间的电阻可实现在R到2^n-1R的范围内高分辨率数控可调。针对于控制压电陶瓷驱动器7，这里每一组电阻阵列取12个电阻，分辨率为2¹²，故该数控电位器3总的阻值为40.96K，阻值最小的电阻R的阻值为10欧。

如图4所示，数控电位器3内部的电压隔离开关采用光耦式的场效应管驱动器LH1262CB，驱动控制N沟道MOS管IRFP250导通或开路，具有高电压隔离，毫欧级导通电阻和高耐压值的特点。其中，Vi+和Vi-分别为光耦式驱动器LH1262CB输入的正负端，也就是电压隔离开关输入的正负端，在正常工作状态下，这两端之间的电压为1.3V左右，LH1262CB输出的正端连接P沟道结型场效应管PMBFJ176的栅极，同时在其栅极与源极之间放置电阻R21，阻值为2M，保证光耦驱动器开启时有足够的电压输出，其值在13V左右，另外通过串接一小阻值电阻R22，把P沟道结型场效应管PMBFJ176的源极和漏极分别跨接在N沟道MOS管IRFP250的栅极和源极之间，并把LH1262CB输出的负端连接IRFP250的源极，IRFP250的漏极与源极分别等效于电压隔离开关的Vo+端与Vo-端，在Vo+与Vo-之间可并联相应的电阻。

当光耦式的场效应管驱动器LH1262CB开启时，IRFP250导通并工作于饱和状态，其漏极与源极之间的阻值为毫欧级，对与其并联的电阻呈现出短路的特性；当LH1262CB关闭时，IRFP250的栅级与源极的结电容能够通过PMBFJ176的P沟道和电阻R22进行快速放电，迅速让IRFP250处于截止状态，对与其并联的电阻呈现出开路的特性。

如图5所示，功率放大电路4采用电压跟随功率放大的形式，由前级低压功放和后级高压功放组成，后级高压功放的输出端通过接负反馈电阻R29连接前级低压运放的反相输入端，并在负反馈电阻R29的两端并联一小电容C44，防止产生自激振荡，功放PA85A的最大输出电流只有200mA，其输出通过电压采样电阻R25分压输出到后级高压功放，后级高压功放采用两组N沟道MOS管IRFP840单元电路并联的方式共同承担给压电陶瓷驱动器7充电的电流，实现大功率驱动，每一组MOS管单元电路设有独立的限流保护，分别通过限流取样电阻R30和R32限制输出电流，防止高压时充电电流过大对压电陶瓷驱动器7造成损害。这里电阻R30和R32都取1欧，每一组能够提供的最大电流为700多毫安，两组的最大输出电流之和可达1.5A。

其中，电阻R28的大小可限制功放PA85A的最大输出电流，当输出电压低于30V或者功率放大电路4的输入电压频率较低时，两个MOS管IRFP840均截止，对压电陶瓷驱动器7的充电电流主要来自于功放PA85A的输出，当输出电压大于30V或者功率放大电路4的输入电压频率较高时，两个MOS管IRFP840均工作在临界导通状态，对压电陶瓷驱动器7的充电电流主要来自于两组N沟道MOS管IRFP840单元电路。IRFP840漏极所接的高压稳压电源5对最后的电压输出影响极小，输出电压具有高稳定性，功率放大电路4输出的正端Vf+连接放电回路6的Vf+端，负端接地。

如图6所示，所述的放电回路6采用二极管D38进行电压采样，比较器LM311N控制高压三极管Q7、Q8、Q9、Q10导通放电的形式来对压电陶瓷驱动器7进行放电。当二极管D38正端即功率放大电路4的输出端电压减少较大，比其负端低0.5V时，二极管D38截止，比较器LM311N输出正电压，控制Q7、Q8、Q9、Q10导通对电压陶瓷驱动器7进行快速放电，提高动态特性，当二极管D38正端的电压减少较小时，二极管D38仍然导通，此时压电陶瓷驱动器7主要通过电阻R34和R39构成的回路进行放电，所以这两个电阻不宜取太大，以提高放电特性，同时又不能取太小，以减少驱动电源的静态功耗。

其中，二极管D38对电压采样后，由电阻R33、R37和电阻R34、R39分别进行分压，送给比较器LM311N的反相输入端，与同相输入端进行比较。放电回路6的输入Vf+端连接功率放大电路4的Vf+端，输入的负端接地，输出Vp+端连接压电陶瓷驱动器7的Vp+端，输出负端接地。

如图7所示，压电陶瓷驱动器7等效为一个电容，这里选取从德国piezosystem jena公司购买的压电陶瓷驱动器7，其电容量达7.2uF。其中，输入的Vp+端连接放电回路6的Vp+端，负端接地，整个压电陶瓷驱动器7的位移随压电陶瓷驱动电源的输出电压呈近似的线性变化。

如图8所示，压电陶瓷驱动电源的12位数字输入信号的等效值在0到4095内变化时，输出电压在0到210V内变化，输出电压随着输入信号呈良好的线性变化。

如图9所示，该图是从示波器拍摄到的单片机系统1产生矩形波的波形图。

从图中可以看出，单片机系统1产生一路矩形波信号，其高电平为5V，低电平为0V，频率为150HZ，该信号用于控制数控电位器3中与阻值最小的电阻R并联的光耦开关，使电阻R开路或者短路。

如图10所示，该图是从示波器拍摄到的单片机系统1产生的矩形波信号控制数控电位器3中阻值最小的电阻R两端的电压变化时，压电陶瓷驱动电源的输出电压变化的波形图。

从图中可以看出，压电陶瓷驱动电源的输出电压变化的幅值为50mV，低电压为0V，频率为150HZ，效果较为理想，说明电阻R在输入信号的控制下处于开路或者短路状态，压电陶瓷驱动电源的输出电压呈相应的变化。整个压电陶瓷驱动电源输出电压的精度就由数控电位器3中阻值最小的电阻R两端的电压决定。

如图11所示，该图是从示波器拍摄到的压电陶瓷驱动电源的输出电压随着单片机系统1产生的矩形波信号而相应变化的波形图。

从图中可以看出，单片机系统1产生的矩形波信号控制数控电位器3中阻值最小的电阻R两端的电压变化时，压电陶瓷驱动电源的输出电压随着电阻R两端的电压变化而相应地变化。输入矩形波信号的高电平为5V，低电平为0V，频率为150HZ，压电陶瓷驱动电源的输出矩形波电压的高电压为50mV，低电压为0V，延时仅为0.5mS，动态效果良好。

本发明提供的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源采用前级高压稳压电路2代替前级电压放大作为输入，产生稳定的210V的直流电压输出，通过分辨率为12位的数控电位器3控制调节分压后送给功率放大电路4，进行电压跟随功率放大，最后经过放电回路6将电压输出给压电陶瓷驱动器7，输出电压范围在0到210V内数控可调，精度为50mV，输出电压纹波的最大值小于20mV，输出最大电流为1.5A。整个过程可实现对电压精密控制，输出电压范围大，稳定性好、控制方便，输出电流大，满足压电陶瓷驱动器7驱动的需要。

Claims

1.一种实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于，它由单片机系统、前级高压稳压电路、数控电位器、功率放大电路、高压稳压电源和放电回路连接组成，前级高压稳压电路的输出端与数控电位器的正负端连接，单片机系统控制数控电位器，调节分压后通过调整端连接功率放大电路的同相输入端，功率放大电路由前级低压功放和后级高压功放组成，采用电压跟随的功率放大形式，通过高压稳压电源供电，其输出端正端连接放电回路的正极，负端接地，放电回路的输出端正端连接压电陶瓷驱动器的正电极，负端接地，压电陶瓷驱动器的负极接地，高压稳压电源的电压输出的正负端分别连接功率放大电路的正负电源输入端。

2.根据权利要求1所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述前级高压稳压电路是从高压稳压电源中分压，由多组大电流输出的集成三端稳压器电路串联组成。

3.根据权利要求1所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述数控电位器由顺序串联的两组电阻阵列构成，每一组电阻阵列均由12个呈两倍关系依次递增的电阻串联而成，每一个电阻的两端并联了一个电压隔离开关，两组电阻阵列的电压隔离开关的输入端分别采用带非门互补的数字信号并行控制，调整端取自两组电阻阵列的公共端。

4.根据权利要求1所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述数控电位器的最大电压和最大电流由电阻阵列中阻值最大的电阻决定，分辨率由电阻阵列中阻值最小的电阻决定，每一组电阻阵列的阻值分别为：R，4R，8R，16R，32R，…，2^n-1R。

5.根据权利要求1所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述数控电位器中的电压隔离开关采用光耦式的场效应管驱动器，驱动控制N沟道MOS管导通或开路。

6.根据权利要求1所述的实现数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：功率放大电路的输出端正端通过接负反馈电阻连接前级低压功放的反相输入端，并在反馈电阻的两端并联一电容，功率放大电路的同相输入端与反相输入端之间连接有二极管，后级高压功放由两组N沟道MOS管单元电路并联组成，每一组MOS管单元电路设有独立的限流保护。