CN102495653B

CN102495653B - 一种硅基微定位平台驱动电源

Info

Publication number: CN102495653B
Application number: CN2011104208876A
Authority: CN
Inventors: 汝长海; 房增华; 黄海波; 陈立国; 孙立宁
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102495653A

Abstract

本申请公开了一种硅基微定位平台驱动电源，该硅基微定位平台驱动电源为所述微定位平台的专用驱动电源，其内部的控制器根据接收到的预设的目标电压，以及反馈电路采样得到的所述功率放大模块实际输出的驱动电压的反馈信号，调节所述功率放大模块输出电压，使其达到预设的目标电压。本申请实施例提供的硅基微定位平台驱动电源通过闭环控制电路实现，能够实时根据实际的输出电压调节输出的驱动电压，使得该驱动电源输出的驱动电压可调，精度高，且电压纹波小。

Description

一种硅基微定位平台驱动电源

技术领域

本申请涉及驱动电源技术领域，特别是涉及一种硅基微定位平台驱动电源。

背景技术

硅基微定位平台是微定位技术的一种具体应用，微定位平台的驱动电源系统的性能直接决定微定位平台的性能，而且，对于不同应用场合，微定位平台的位移量也有不同的要求，这就需要硅基微定位平台的驱动电压可控并且在许可的范围内可调。但是，传统的微定位平台的驱动电源系统采用稳压直流电源驱动，输出电压恒定，不能满足硅基微定位平台的不同应用需求。

静电驱动是常用的驱动方式之一，静电梳齿驱动因其控制简单、驱动效率高、精确定位等特点得到了广泛的应用。但是如果加载梳齿上的电压的纹波过大会导致梳齿驱动失稳，动齿跟定齿会产生侧壁黏附效应。传统的微定位平台的驱动电源系统的电压纹波大、稳定性差。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种硅基微定位平台驱动电源，以实现硅基微定位平台的驱动电压可控、电压纹波小、精度高，技术方案如下：

一种硅基微定位平台驱动电源，包括：控制器、功率放大模块、反馈电路，其中，

所述控制器接收预设的目标电压后，产生相应的控制信号传输给所述功率放大模块；

所述功率放大模块根据接收到的所述控制信号后输出驱动电压驱动硅基微定位平台的经典梳齿驱动器；

所述反馈电路采样所述功率放大模块的实际输出电压信号作为反馈信号，提供给所述控制器；

所述控制器根据接收到的所述反馈信号调节输出的控制信号，使所述功率放大模块输出的驱动电压与所述预设的目标电压的差值在预设范围内。

优选的，所述控制器包括：主控制器，输入模块、模数转换器、数模转换器，其中：

所述输入模块与所述主控制器连接，用于输入预设的目标电压值；

所述模数转换器与所述主控制器连接，用于将所述反馈电路发送的模拟的反馈信号转换为数字的反馈信号提供给所述主控制器；

所述数模转换器与所述主控制器连接，用于将主控制器发送的数字的控制信号转换成模拟的控制信号提供给所述功率放大模块。

优选的，所述功率放大电路包括：放大电路和升压模块，其中，

所述放大电路与所述控制器相连，用于根据所述控制器提供的控制信号输出相应的驱动电压，驱动所述硅基微定位平台的静电梳齿驱动器；

所述升压模块与所述放大电路相连，用于为所述放大电路提供电源。

优选的，所述放大电路包括：第一加减运算电路、第二加减运算电路、电压放大电路，

所述第一加减运算电路，用于将所述预设的目标电压对应的控制信号与所述反馈电压信号作减法运算，得到预设的目标电压与实际输出电压的差值对应的电压信号；

所述第二加减运算电路，用于将所述第一加减运算电路输出的电压信号与所述预设的目标电压对应的控制信号作加法运算，得到放大电压放大电路输出的电压达到所述预设的目标电压所需的控制电压；

所述电压放大电路，用于将所述第二加减运算电路输出的所述控制电压进行放大，以驱动所述硅基微定位平台的经典梳齿驱动器。

优选的，所述升压模块包括：升压控制电路、升压电路，

所述升压控制电路的输入端与所述数模转换器连接，输出端与所述升压电路连接，用于根据所述控制器输出的升压控制信号，控制所述升压电路的输出电压；

所述升压电路用于根据所述升压控制信号，将输入的第一电压升压为与所述升压控制信号对应的第二电压。

优选的，所述反馈电路包括：分压电路和电压跟随器，

所述分压电路与所述功率放大电路的输出端相连，用于采样得到所述功率放大电路输出电压的电压采样信号；

所述电压跟随器与所述分压电路的输出端相连，用于将所述电压采样信号提供给所述模数转换器。

优选的，还包括：供电电源，用于为所述控制器及所述功率放大模块提供电源或基准电压。

优选的，所述输入模块为矩阵键盘。

优选的，所述主控制器为现场可编程门阵列。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所述硅基微定位平台驱动电源为所述微定位平台的专用驱动电源，其内部的控制器根据接收到的预设的目标电压，以及反馈电路采样得到的所述功率放大模块实际输出的驱动电压的反馈信号，调节所述功率放大模块输出电压，使其达到预设的目标电压。本申请实施例提供的硅基微定位平台驱动电源通过闭环控制电路实现，能够实时根据实际的输出电压调节输出的驱动电压，使得该驱动电源输出的驱动电压可调，精度高，且电压纹波小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种硅基微定位平台的结构图；

图2为另一种硅基微定位平台的运动平台的位移示意图；

图3为本申请实施例一种硅基微定位平台驱动电源的结构示意图；

图4为本申请实施例另一种硅基微定位平台驱动电源的结构示意图；

图5为本申请实施例放大电路的结构示意图；

图6为本申请提供的硅基微定位平台驱动电源的静态输出曲线图；

图7为本申请提供的硅基微定位平台驱动电源的阶跃响应曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

首先对硅基微定位平台进行说明，请参见图1，该微定位平台主要包括：运动平台1、折叠梁(图中未示出)、柔性弯曲梁2、梳齿静电驱动器3和检测梁4，其中，运动平台1由四对柔性弯曲梁2、折叠梁和检测梁4支撑，悬浮在整个堆积微定位平台的中心位置；梳齿静电驱动器3位于折叠梁和检测梁4之间，检测梁位于每一组梳齿静电驱动器3的末端，运动平台1一旦有唯一变化，检测梁4在相应的运动方向上将发生等值形变，硅基微定位平台通过对四对梳齿静电驱动器3分别实现运动平台沿X、-X、Y和-Y四个方向的运动。图1为硅基微定位平台在X方向发生位移的示意图，图2为硅基微定位平台在X方向和Y方向上发生位移的示意图。

请参见图3，示出了本申请实施例提供的一种硅基微定位平台驱动电源的原理框图，该驱动电源包括：控制器100、功率放大模块200、反馈电路300，其中：

所述控制器100的输出端与所述功率放大模块200的输入端相连，功率放大模块200的输出端与所述梳齿静电驱动器相连，用于驱动梳齿静电驱动器。所述反馈电路300采样所述功率放大模块200输出的实际电压作为反馈信号输送给所述控制器100。

控制器100根据接收到的预设的目标电压，以及所述反馈电路300反馈回来的所述功率放大模块200输出的实际电压的反馈信号，调节所述功率放大模块200输出电压的大小，使驱动所述梳齿静电驱动器的驱动电压达到所述预设的目标电压。

本实施例提供的所述硅基微定位平台驱动电源为所述微定位平台的专用驱动电源，其内部的控制器根据接收到的预设的目标电压，以及反馈电路采样得到的所述功率放大模块实际输出的驱动电压的反馈信号，调节所述功率放大模块输出电压，使其达到预设的目标电压。本申请实施例提供的硅基微定位平台驱动电源通过闭环控制电路实现，能够实时根据实际的输出电压调节输出的驱动电压，使得该驱动电源输出的驱动电压可调，精度高，且电压纹波小。

请参见图4，示出了另一种硅基微定位平台驱动电源的结构示意图，其中：

控制器包括：主控制器101、输入模块102、模数转换器103、数模转换器104。

功率放大模块包括：放大电路201和升压模块202。

反馈电路包括：分压电路301和电压跟随器302。

所述输入模块102与所述主控制器101相连，模数转换器103与主控制器101的输入端相连，数模转换器104与主控制器101的输出端相连。

放大电路201与所述数模转换器104相连，升压模块202与所述放大电路201相连，用于为该放大电路201提供电源。

分压电路301与功率放大模块200的输出端相连，电压跟随器302的输入端与分压电路301的输出端相连，电压跟随器302的输出端与所述模数转换器的输入端相连。

该硅基微定位平台的工作过程如下：

通过输入模块102为主控制器101输入预设的目标电压，主控制器101将接收到的所述预设的目标电压信号进行处理，产生相应的控制信号经过数模转换器104进行数模转换后提供给所述放大电路201，该放大电路将根据数模转换器104提供的信号，最终输出的电压用于驱动所述梳齿静电驱动器。

分压电路301采样得到功率放大模块200提供给梳齿静电驱动器的驱动电压的电压采样信号，通过电压跟随器302将所述电压采样信号输送给模数转换器103，由该模数转换器将所述电压采样信号转换为数字信号后反馈给主控制器101。主控制器101根据接收到的电压反馈信号调节输出的控制信号，以使功率放大模块输出电压达到所述预设的目标电压。采用这种闭环控制系统，使该驱动电源输出的电压可控，且控制精度高，电压纹波小。

优选的，参见图4，所述升压模块202包括：升压控制电路203和升压电路204，其中，升压控制电路203的输入端与数模转换器104连接，输出端与所述升压电路204相连。

控制器通过所述升压控制电路203控制该升压模块202的输出的电压，具体的，所述主控制器产生升压控制信号，经过所述数模转换器104进行数模转换后提供给所述升压控制电路203，以控制所述升压电路204的输出电压，使升压电路输出的电压满足放大电路的用电需求。

所述升压电路204具体可以为Boost升压电路，其基本原理是：由于Boost升压电路中的开关管的开关作用，使电路中的电感储存能量，并将储存能量的电感当作电源，与电路中原有的电源串联，从而提高电路的输出电压。

为扩大所述升压电路的输出电流、提高输出功率，采用高速功率场效应管IRF630进行扩流。而且，由于Boost升压电路中的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半导体场效应晶体管)管存在寄生电容，在MOSFET管开通和关断的过程中，驱动电路必须能够对其寄生电容进行快速充电和放电，故本申请实施例采用晶体管构成的推挽电路作为Boost升压电路的驱动电路。

优选的，参见图4，该驱动电源还包括供电电源400，该供电电源用于为上述的主控制器101、模数转换器103、数模转换器104、升压控制电路203及升压电路204提供工作所必需的电源。

优选的，请参见图5，示出了所述放大电路的结构示意图，该放大电路包括：第一加减运算电路205、第二加减运算电路206、电压放大电路207。

所述第一加减运算电路205、第二加减运算电路206均包括第一输入端、第二输入端和输出端。

所述第一加减运算电路205的第一输入端与所述数模转换电路104的输出端相连，第二输入端与所述电压跟随器302的另一输出端相连，输出端与所述第二加减运算电路206的第一输入端相连。

该第一加减运算电路205用于将所述主控制器101通过数模转换器104传输来的所述预设的目标电压对应的控制信号，以及所述功率放大模块实际的输出电压的电压采样信号，作减法运算，得到预设目标电压与实际输出电压的差值对应的电压信号，并传输给所述第二加减运算电路206。

所述第二加减运算电路206的第二输入端与所述数模转换电路104的输出端相连，输出端与所述电压放大电路207相连。该第二加减运算电路206用于将所述第一加减运算电路205输出的电压信号与所述预设的目标电压对应的控制信号作加法运算，得到电压放大电路207输出的电压达到所述预设的目标电压所需的控制电压，并提供给所述电压放大电路207。

电压放大电路207用于将所述第二加减运算电路206输出的电压进放大到所述预设的目标电压，用于驱动所述梳齿静电驱动器。

其中所述第一加减运算电路205、第二加减运算电路206及电压放大电路207均可通过运算放大器实现，属于本领域公知常识，此处不再赘述。

驱动电源的性能测试主要是静态性能和动态性能，静态性能主要是对驱动电源的输出线性度进行测试，动态性能主要是对驱动电源进行阶跃响应测试。

具体的，如图6所示，为所述硅基微定位平台驱动电源的静态输出曲线图，该曲线图是在0V-40V范围内每隔5V输出一个电压，并测量记录驱动电源的实际输出电压，利用测得的所有电压值绘制得到所述静态输出曲线，由图6所示的静态输出曲线可知，本申请提供的驱动电源的输出具有良好的线性度、具有较高精度的电压输出。

如图7所示为所述硅基微定位平台驱动电源0V-30V的动态阶跃响应测试曲线，上升时间小于20us，纹波小于5mV，故本申请实施例提供的硅基微定位平台驱动电源具有电压纹波小、稳定性高的优点，且具有良好的动态性能。

需要说明的是，上述实施例中的硅基微定位平台驱动电源中的功率放大模块直接驱动运动平台，实现运动平台在X、-X、Y和-Y四个方向的运动，需要四路功率放大模块，每一路控制一个唯一的方向，同样，所述反馈电路也需要四路，分别采样四个功率放大模块输出的实际电压。

优选的，上述所有实施例中的输入模块具体可以为矩阵键盘，将所需的信息输入到主控制器中。

所述主控制器具体采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，FPGA具有较高的工作频率，且具有很强的使用灵活性。FPGA使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，可以连接很多外围器件，有利于电路的功能扩展。FPGA可以与CMOS、TTL电平兼容，使外围器件的连接变得简单。FPGA的现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期；FPGA可以提供足够大的有效逻辑容量密度，不仅大大减少了印刷电路板的使用空间，降低了系统功耗，而且提高了系统的可靠性；FPGA可以反复编程，重复使用，可以在开发系统中直接进行系统仿真。

需要说明的是，上述所有实施例中的主控制器具体由FPGA芯片与必要的外围器件组成，比如，必要的外围器件包括：配置芯片、SDRAM(SynchronousDynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)、晶振电路和JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)接口，其中，所述配置芯片用于当FPGA芯片上电后重新配置该FPGA芯片；所述晶振电路为FPGA芯片正常工作提供工作频率。所述JTAG接口用于系统的配置程序与应用程序下载，以及程序的在线调试与设置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，包括：控制器、功率放大模块、反馈电路，其中，

所述功率放大模块根据接收到的所述控制信号后输出驱动电压驱动硅基微定位平台的经典梳齿驱动器，所述功率放大模块包括：放大电路和升压模块，所述放大电路与所述控制器相连，用于根据所述控制器提供的控制信号输出相应的驱动电压，驱动所述硅基微定位平台的静电梳齿驱动器；所述升压模块与所述放大电路相连，用于为所述放大电路提供电源；

所述控制器根据接收到的所述反馈信号调节输出的控制信号，使所述功率放大模块输出的驱动电压与所述预设的目标电压的差值在预设范围内；

其中，所述放大电路包括：第一加减运算电路、第二加减运算电路、电压放大电路，所述第一加减运算电路，用于将所述预设的目标电压对应的控制信号与所述反馈信号作减法运算，得到预设的目标电压与实际输出电压的差值对应的电压信号；所述第二加减运算电路，用于将所述第一加减运算电路输出的电压信号与所述预设的目标电压对应的控制信号作加法运算，得到电压放大电路输出的电压达到所述预设的目标电压所需的控制电压；所述电压放大电路，用于将所述第二加减运算电路输出的所述控制电压进行放大，以驱动所述硅基微定位平台的经典梳齿驱动器。

2.根据权利要求1所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，所述控制器包括：主控制器，输入模块、模数转换器、数模转换器，其中：

3.根据权利要求1所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，所述升压模块包括：升压控制电路、升压电路，

所述升压控制电路的输入端与和主控制器的输出端相连的数模转换器连接，输出端与所述升压电路连接，用于根据所述控制器输出的升压控制信号，控制所述升压电路的输出电压；

4.根据权利要求1-3任一项所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，所述反馈电路包括：分压电路和电压跟随器，

所述分压电路与所述功率放大模块的输出端相连，用于采样得到所述功率放大模块输出电压的电压采样信号；

5.根据权利要求1所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，还包括：供电电源，用于为所述控制器及所述功率放大模块提供电源或基准电压。

6.根据权利要求2所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，所述输入模块为矩阵键盘。

7.根据权利要求2所述的硅基微定位平台驱动电源，其特征在于，所述主控制器为现场可编程门阵列。