CN102570895B

CN102570895B - 一种压电陶瓷驱动电源

Info

Publication number: CN102570895B
Application number: CN201010598491.6A
Authority: CN
Inventors: 徐方; 褚明杰; 贾凯; 刘世昌
Original assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Current assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102570895A

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷驱动电源，包含逻辑控制模块、数据分发模块、数模转换模块、电压和功率放大模块和电源模块。通过分级输出模拟控制电压，采用多电源串联产生高压直流电源，采用集成高压运算放大器，使得输出驱动电压更精确，系统更稳定。本发明所述的数模转换模块通过分级输出，然后再合成的方法，使得输出的模拟控制信号更加精确，误差更小。本发明采用高压集成运算放大器进行电压和功率放大，相对于采用分离元件来说，提高了系统的集成度和可靠性，降低了系统性能的离散型和不确定性。提供一种结构简单、高稳定性、低纹波的驱动电源。

Description

一种压电陶瓷驱动电源

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动电源领域，特别涉及一种压电陶瓷驱动电源。

背景技术

压电陶瓷驱动器是新型的微驱动器件，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、响应速度高、无噪声、不发热、体积小等特点，在微电子技术、微机电系统、光学精密工程、纳米工程等领域具有广泛的应用前景。在超精密定位中，往往需要达到纳米级的定位精度，性能良好的驱动电源是高精度微位移进给技术得以广泛应用的前提。因此，压电陶瓷驱动电源技术已成为当前的研究热点。目前的压电陶瓷驱动电源普遍存在结构复杂或者电压精度较低的不足。

发明内容

本发明为了克服现有压电陶瓷驱动电源控制电压不够精确的问题，提供一种精确度高的电压控制的压电陶瓷驱动电源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压电陶瓷驱动电源，包括逻辑控制模块、数据分发模块、数模转换模块、电压和功率放大模块、电源模块；所述逻辑控制模块接收外部控制信号，还接收电源模块输出的直流电压信号，经过逻辑变换后输出至数模转换模块；所述数据分发模块接收外部数据信号，经过数据分发模块内部数据处理后输出至数模转换模块；所述数模转换模块将数据分发模块的数据信号输出为模拟控制信号；所述电压和功率放大模块，对模拟控制信号进行放大，用来驱动压电陶瓷模块；所述电源模块包括低压直流供电单元和高压直流供电单元，所述电源模块与外部电源连接；所述高压直流供电单元为电压和功率放大模块供电，所述低压直流供电单元为其他模块供电。

所述逻辑控制模块接收外部控制信号经过逻辑转换对数模转换模块进行控制，所述数据分发模块接收外部数据信号，将数据信号分发后输出至数模转换模块；数模转换模块接受控制信号和数据信号，经数模转换后输出模拟控制信号至电压和功率放大模块，模拟控制信号经过电压和功率放大模块放大后控制压电陶瓷。

所述数模转换模块由第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器组成；所述第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路的EN输入端与逻辑控制模块提供的EN1、 EN2 、EN3信号端连接；所述第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路的CLK输入端与逻辑控制单元提供的时钟信号CLK连接；其DATA输入端与数据分发模块提供的DATA信号连接；所述第一数模转换集成电路的VOUT输出端与第二数模转换集成电路的VREF输入端连接；所述第二数模转换集成电路的VOUT输出端与第二运算放大器的反相输入端连接；所述第三数模转换集成电路的VOUT输出端与第一运算放大器的反相输入端连接；所述第一运算放大器、第二运算放大器输出端与第三运算放大器的反相输入端连接；所述第三运算放大器的DA_OUT输出端输出至电压和功率放大模块。

所述电压和功率放大模块包括高压集成运算放大器；对数模转换模块输出的模拟控制信号进行放大，输出模拟信号驱动压电陶瓷模块。

所述逻辑控制模块和数据分发模块集成于一可编程逻辑器件内。

本发明的优点是：

1. 本发明所述逻辑控制模块和数据分发模块均在一片可编程逻辑器件上实现，配置更灵活，并且简化了电路结构，增强了系统稳定性。

2. 本发明所述压电陶瓷驱动电源可接收外部数字信号，对压电陶瓷进行与所述数字信号对应的驱动。

3. 本发明所述的高压直流供电单元采用多组低压电源串联组成，通过这种方法比直接输出高压得到的电压更稳定，纹波更小，因此对高压运算放大器的影响更小，得到的驱动效果更精确。

4. 本发明所述的数模转换模块通过分级输出，然后再合成的方法，使得输出的模拟控制信号更加精确，误差更小。

5. 本发明采用高压集成运算放大器进行电压和功率放大，相对于采用分离元件来说，提高了系统的集成度和可靠性，降低了系统性能的离散型和不确定性。

6. 本发明是一种结构简单、高稳定性、低纹波的驱动电源。

附图说明

图1为一种压电陶瓷驱动电源总体结构图。

图2为数模转换模块原理图。

图3为电压和功率放大模块原理图。

图4为高压直流供电单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明的具体实施方式进一步说明。

如图1所示，一种压电陶瓷驱动电源，包括逻辑控制模块、数据分发模块、数模转换模块、电压和功率放大模块、电源模块；所述逻辑控制模块接收外部控制信号，还接收电源模块输出的直流电压信号，经过逻辑变换后输出至数模转换模块；所述数据分发模块接收外部数据信号，经过数据分发模块内部数据处理后输出至数模转换模块；所述数模转换模块将数据分发模块的数据信号输出为模拟控制信号；所述电压和功率放大模块，对模拟控制信号进行放大，用来驱动压电陶瓷模块；所述电源模块包括低压直流供电单元和高压直流供电单元，所述电源模块与外部电源连接；所述高压直流供电单元为电压和功率放大模块供电，所述低压直流供电单元为其他模块供电。

如图2 所示，所述数模转换模块由第一数模转换集成电路（DA1）、第二数模转换集成电路(DA2)、第三数模转换集成电路(DA3)，第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)组成；所述第一数模转换集成电路(DA1)的EN输入端与逻辑控制模块提供的EN1信号连接；所述第二数模转换集成电路(DA2)的EN输入端与逻辑控制模块提供的EN2信号连接；所述第三数模转换集成电路(DA3)的EN输入端与逻辑控制模块提供的EN3信号连接；所述第一数模转换集成电路(DA1)、第二数模转换集成电路(DA2)、第三数模转换集成电路(DA3)的CLK输入端与逻辑控制单元提供的时钟信号CLK连接；其DATA输入端与数据分发模块提供的DATA信号连接；所述第一数模转换集成电路(DA1)的VOUT输出端与第二数模转换集成电路（DA2）的VREF输入端连接；所述第三数模转换集成电路（DA3）的VOUT输出端与第一运算放大器（U1）的反相输入端连接；所述第二数模转换集成电路（DA2）的VOUT输出端与第二运算放大器（U2）的反相输入端连接；所述第一运算放大器（U1）、第二运算放大器（U2）输出端与第三运算放大器（U3）的反相输入端连接；所述第三运算放大器（U3）的DA_OUT输出端输出至电压和功率放大模块。

工作原理是将大电压划分成整数值D1和小数值D2进行分级输出，然后叠加。工作过程如下：

(1) 使能端EN1、EN2使能，第一数模转换集成电路(DA1)和第二数模转换集成电路(DA2)在时钟信号CLK的控制下从DATA线上接收数据D1，进行第一级数模转换，第一数模转换集成电路(DA1)和第二数模转换集成电路(DA2)的输出引脚上得到整数值电压;

(2) 保持EN1使能,再使能EN3，将第一数模转换集成电路(DA1)输出的电压值作为第三数模转换集成电路(DA3)的参考电压，输入小数值D2，进行第二级数模转换，第三数模转换集成电路(DA3)输出引脚得到小数值电压；

(3) 整数值和小数值电压输出分别经过第一运算放大器（U1）和第二运算放大器（U2）调理，然后通过第三运算放大器（U3）的加法电路，两者相加得到真实电压值DA_OUT。

所述逻辑控制模块和数据分发模块集成于一可编程逻辑器件内。所述电源模块由外部电源接口、多抽头隔离变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。主要功能分两部分：高压直流供电单元和低压直流供电单元，所述高压直流供电单元为电压放大模块中为高压集成运算放大器供电，所述低压直流供电单元为电路中其它部分供电。

如图3所示为电压和功率放大模块原理图，采用集成第一运算放大器（U1），第三数模转换集成电路(DA3)输出的电压值经过第一电阻R1输入第一运算放大器（U1）的反向端，第一运算放大器（U1）的正向端接地，第一运算放大器（U1）的输出端通过第二电阻R2和第一电容C1并联反馈到反向端，第一运算放大器（U1）的正负电压分别接高压直流供电单元的正电压+HV和负电压-HV，电压值DA_OUT经过放大以后驱动压电陶瓷PIEZO。

如图4所示为高压直流供电单元，具体工作原理为，端子A和B接220V交流电源，经过多抽头隔离变压器得到n个互相隔离的交流电源，再通过整流桥Dx、滤波电容、线性稳压器Ux得到n各直流电源，将n个直流电源首尾串联，得到高压直流电源正极+HV和负极-HV，然后从中根据需要再抽头得到地。其中x=1…n。

本发明所述的数模转换模块通过分级输出，然后再合成的方法，使得输出的模拟控制信号更加精确，误差更小。本发明采用高压集成运算放大器进行电压和功率放大，相对于采用分离元件来说，提高了系统的集成度和可靠性，降低了系统性能的离散型和不确定性。本发明是一种结构简单、高稳定性、低纹波的驱动电源。

Claims

1.一种压电陶瓷驱动电源，其特征在于：包括逻辑控制模块、数据分发模块、数模转换模块、电压和功率放大模块、电源模块；

所述逻辑控制模块接收外部控制信号，还接收电源模块输出的直流电压信号，经过逻辑变换后输出至数模转换模块；

所述数据分发模块接收外部数据信号，经过数据分发模块内部数据处理后输出至数模转换模块；

所述数模转换模块将数据分发模块的数据信号输出为模拟控制信号；

所述电压和功率放大模块，对模拟控制信号进行放大，用来驱动压电陶瓷模块；

所述电源模块包括低压直流供电单元和高压直流供电单元，所述电源模块与外部电源连接；所述高压直流供电单元为电压和功率放大模块供电，所述低压直流供电单元为其他模块供电；

所述数模转换模块由第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器组成；

所述第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路的EN输入端与逻辑控制模块提供的EN1、EN2、EN3信号端连接；

所述第一数模转换集成电路、第二数模转换集成电路、第三数模转换集成电路的CLK输入端与逻辑控制模块提供的时钟信号CLK连接；其DATA输入端与数据分发模块提供的DATA信号连接；

所述第一数模转换集成电路的VOUT输出端与第二数模转换集成电路的VREF输入端连接；

所述第二数模转换集成电路的VOUT输出端与第二运算放大器的反相输入端连接；

所述第三数模转换集成电路的VOUT输出端与第一运算放大器的反相输入端连接；

所述第一运算放大器、第二运算放大器输出端与第三运算放大器的反相输入端连接；

所述第三运算放大器的DA_OUT输出端输出至电压和功率放大模块；

工作过程如下：

1)使能端EN1、EN2使能，第一数模转换集成电路(DA1)和第二数模转换集成电路(DA2)在时钟信号CLK的控制下从DATA线上接收数据D1，进行第一级数模转换，第一数模转换集成电路(DA1)和第二数模转换集成电路(DA2)的输出引脚上得到整数值电压；

2)保持EN1使能，再使能EN3，将第一数模转换集成电路(DA1)输出的电压值作为第三数模转换集成电路(DA3)的参考电压，输入小数值D2，进行第二级数模转换，第三数模转换集成电路(DA3)输出引脚得到小数值电压；

3)整数值和小数值电压输出分别经过第一运算放大器(U1)和第二运算放大器(U2)调理，然后通过第三运算放大器(U3)的加法电路，两者相加得到真实电压值DA_OUT。

2.按权利要求1所述的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述逻辑控制模块接收外部控制信号经过逻辑转换对数模转换模块进行控制，所述数据分发模块接收外部数据信号，将数据信号分发后输出至数模转换模块；数模转换模块接受控制信号和数据信号，经数模转换后输出模拟控制信号至电压和功率放大模块，模拟控制信号经过电压和功率放大模块放大后控制压电陶瓷。

3.按权利要求1所述的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述电压和功率放大模块包括高压集成运算放大器；对数模转换模块输出的模拟控制信号进行放大，输出模拟信号驱动压电陶瓷模块。

4.按权利要求1所述的压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述逻辑控制模块和数据分发模块集成于一可编程逻辑器件内。