CN104348398A - 宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置及方法，驱动控制装置包括可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路、2相交流输出逆变电路及微控制器电路，在微控制器电路的协调控制下，正负直流输出可调高频开关电路将可控整流电路的输出直流电经过升压处理，输出正负直流电压作为2相交流输出逆变电路的电源；微控制器电路的控制信号经光电耦合隔离驱动电路隔离放大后，驱动2相交流输出逆变电路产生宏运动所需的正弦驱动信号或微运动所需的直流驱动信号。本发明实现了宏微运动一体化压电直线电机的驱动控制，既能输出宏运动所需的正弦驱动信号，也能输出微运动所需的直流驱动信号。

Description

宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及超声电机驱动控制、以及压电微位移驱动控制领域，特别涉及宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置及方法。

背景技术

大行程、高精度定位技术一直以来都是工程领域研究的热点之一。近年来，随着大量精密高科技工程项目的展开，如生物医药工程、微型机械制造、集成电路制造、薄膜技术、纳米技术、基因工程、特种加工技术等，高精密定位成为迫切需要解决的关键技术之一。基于传统电磁式电机等构建的大行程精密定位平台的精度一般限制在微米级；而以压电陶瓷微驱动为代表的微驱动器的定位精度能够达到纳米级，但行程只能达到几十微米。

为了实现大行程、精度在纳米级的定位控制，宏微结合驱动技术成为有效的解决方案；当前宏微位移驱动平台普遍借助于旋转电动机的旋转运动，加上滚珠丝杠而获得大行程直线运动，再加上微运动台，能达到十几纳米的精度。但由于位移定位系统采用了2种驱动元件，驱动控制系统需要宏、微2套位移驱动系统，且由于存在机械动力传送中间环节，使得整个系统结构复杂、庞大，难以同时满足当今电子信息产业定位速度、精度等方面的技术要求。

压电驱动器作为一种新型运动驱动元件，与传统的驱动元件相比较，压电驱动器具有高分辨率、响应速度快、功耗小、无电磁干扰、可微型化、低速大推力等优点。因此基于压电驱动器的精密定位技术得到了学术界和产业界的重视。

新型宏微驱动压电直线电机借鉴现有微驱动和直线型超声电机原理和技术，将宏驱动与微驱动有机结合并集成创新为集宏微运动于一体的新型直线电机，能够实现宏微直线运动。以宏微驱动压电直线电机构建的位移定位平台，具有传动系统结构简单、运动机构的可靠性高、运动机构的位置分辨率达到纳米级、响应速度快等优点。

以宏微驱动压电直线电机作为大行程、高精密定位平台的执行机构，为了能够充分发挥宏微驱动压电直线电机的宏运动和微位移优点，以及系统的定位平台的可靠性，需要与之匹配的宏微驱动控制器。目前有关超声电机和压电陶瓷微驱动器的研究很多，具体涉及到驱动器的拓扑电路结构、超声信号发生器、驱动器控制方式、供电方式等方面，并取得了一系列的成果；但纵观现有的压电陶瓷微驱动器及超声电机驱动器的研究现状，关于宏微运动一体化压电直线电机，以及其宏微驱动控制器的相关文献或专利仅有申请人为华南农业大学，发明人为梁莉、许志林、张铁民，于2014年3月26日公开的发明专利申请《一种直线驱动器的宏微驱动电源及其控制方法》，其申请号为201310667149.X，公开号为CN103683967A。发明专利申请CN103683967A为宏微驱动压电直线电机提供了可靠的电源，实现了超声换能器驱动电源与压电陶瓷驱动电源一体化；但并未解决如何驱动控制宏微驱动压电直线电机的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置及方法，能够输出压电直线电机宏、微运动所需的驱动控制信号，实现了宏微运动一体化压电直线电机的宏微驱动控制。

本发明驱动控制装置通过以下的技术方案实现：宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，包括可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路、2相交流输出逆变电路及微控制器电路，微控制器电路分别与可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路连接，2相交流输出逆变电路分别与正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路连接；在微控制器电路的协调控制下，正负直流输出可调高频开关电路将可控整流电路的输出直流电经过升压处理，输出正负直流电压作为2相交流输出逆变电路的电源；微控制器电路对2相交流输出逆变电路输出控制信号，所述控制信号经光电耦合隔离驱动电路隔离放大后，驱动2相交流输出逆变电路产生宏运动所需的正弦驱动信号或微运动所需的直流驱动信号。

所述可控整流电路包括过零检测电路、触发脉冲放大电路及可控全桥整流电路；所述可控全桥整流电路的整流回路上设有晶闸管；所述触发脉冲放大电路连接在所述晶闸管与微控制器电路之间；所述过零检测电路连接在市电与微控制器电路之间，用于检测市电的自然过零点，产生同步脉冲，并将同步脉冲输入微控制器电路；微控制器电路收到所述同步脉冲后开始定时，定时结束产生控制角为a的晶闸管触发脉冲驱动信号，触发脉冲放大电路对微控制器产生的触发脉冲驱动信号进行放大；放大后的触发脉冲驱动信号触发可控全桥整流电路的晶闸管导通，调整可控整流电路的整流输出电压值。

所述可控全桥整流电路的整流桥主要由晶闸管Q6、晶闸管Q7、二极管D18、二极管D19组成。所述触发脉冲放大电路包括依次连接的光耦集成芯片U5、三极管Q9、三极管Q8以及脉冲变压器T2，光耦集成芯片U5与微控制器电路连接，脉冲变压器T2与可控全桥整流电路连接。

所述驱动控制装置还包括分别与微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、2相交流输出逆变电路连接的多路独立直流输出高频开关电路；多路独立直流输出高频开关电路输出直流电，为微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、2相交流输出逆变电路供电。

所述正负直流输出可调高频开关电路采用半桥拓扑电路结构、全桥拓扑电路结构或推挽拓扑电路结构。所述半桥拓扑电路结构包括MOSFET管Q10、MOSFET管Q11，以及MOSFET驱动电路、带抽头高频变压器、全桥高频整流电路；带抽头高频变压器的初级侧与MOSFET管Q10、Q11连接，次级侧与全桥高频整流电路连接；微控制器电路输出的PWM脉冲驱动信号经过MOSFET驱动电路放大后驱动MOSFET管Q10和Q11通断，全桥高频整流电路输出正负绝对值相同的直流电作为2相交流输出逆变电路的电源；所述MOSFET驱动电路采用集成驱动芯片、光电耦合驱动电路或者脉冲变压器驱动电路。

所述2相交流输出逆变电路为由4个MOSFET管Q1、Q2、Q3及Q4构成的逆变桥电路，其中由Q1、Q3构成一桥臂，Q2、Q4构成另一桥臂；在微控制器电路的控制信号作用下，4个MOSFET管完成通断切换，输出宏运动所需的正弦驱动信号，或微运动所需的直流驱动信号；所述4个MOSFET管所需的驱动信号由微控制器电路输出的控制信号经过光电耦合隔离驱动电路放大。

所述光电耦合隔离驱动电路包括4片MOSFET门驱动光电耦合集成芯U1、U2、U3及U4，U1、U2组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动MOSFET管Q1、Q2，U3、U4组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动MOSFET管Q3、Q4。

本发明驱动控制方法通过以下的技术方案实现：基于上述驱动控制装置的宏微驱动压电直线电机的驱动控制方法，包括以下步骤：

(1)上电后，由微控制器电路初始化各个模块；

(2)初始化后，微控制器电路检测输入的参数信号，并根据参数信号，决定是作宏驱动还是微驱动，以及驱动信号的各项参数；然后输出可控整流电路所需的触发脉冲控制信号，输出正负直流输出可调高频开关电路所需的PWM驱动信号，输出2相交流输出逆变电路所需的SPWM/PWM驱动信号；

(3)根据设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，工作在宏运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出宏运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态；

(4)根据设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，工作在微运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出微运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态；

(5)根据设定的指令信息，以及从位移测量系统检测的位移信号，工作在宏微运动混合驱动工作模式时，位移测量系统检测的位移信号经过A/D转换输入微控制器电路，微控制器电路将所述位移信号与所设定的指令信息中包含的期望定位信号进行比较，得到位移定位差；微控制器电路再将所述位移定位差与存储在微控制器电路中的宏微驱动压电直线电机的微位移行程做比较，若位移定位差超出宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程时，微控制器电路协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，并使2相交流输出逆变电路工作在逆变模式下，输出宏运动所需的正弦交流驱动信号，以调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态；如果位移定位差在宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程范围内时，先使2相交流输出逆变电路工作在直流电输出模式下，同时计算、处理位移测量系统检测的位移信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，然后输出恰当控制角a给可控整流电路、输出恰当占空比D的PWM信号给正负直流输出可调高频开关电路，经过2相交流逆变电路输出微运动所需的直流驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态。

本发明驱动控制原理主要有以下几点：

(1)、用户通过人机交互电路输入工作状态和参数，微控制器电路根据上述状态和参数对外输出控制信号；在运行状态过程中，接收位移测量系统输出的位移反馈信号，对控制信号做出调整，实现对宏微驱动压电直线电机的状态调整。上述控制信号分别作用于可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，实现输出所需幅值的正负直流电压；作用于4路光电耦合隔离电路，经过隔离放大作用于2相交流输出逆变电路的功率开关管，完成DC-AC逆变。

(2)、而2相交流逆变电路的供电电压调整是通过调节可控整流电路晶闸管的控制角a大小与正负直流输出可调高频开关电路的MOSFET开关管的PWM波占空比D大小实现。控制角a和PWM波占空比D采用协调控制方法，其基本思路：电压粗调以调整控制角a为主，细调以调整PWM波占空比D为主；调整过程中，控制角a和PWM波占空比D是异步调整，即先调整控制角a后，再调整PWM波占空比D。

(3)、宏微驱动压电直线电机的宏微运动状态切换，通过微控制器电路根据位移测量系统所检测的位移反馈信号大小实现：即大行程范围内，控制2相交流逆变电路输出交流驱动信号实现宏运动驱动控制；微行程内，控制2相交流逆变电路输出正/负所需直流驱动信号实现微运动驱动控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、在输出宏运动和微运动驱动信号的拓扑电路结构方面，与发明专利申请CN103683967A所用的三路半桥拓扑电路结构相比，本发明采用4个MOSFET功率管组成拓扑电路结构，不仅拓扑电路结构本身简单，减少功率开关管的驱动电路数量，而且简化了控制方式。

尽管本发明实施例中采用了看似普通的单相桥式逆变拓扑电路，但在使用上完全不同于现有技术的用法—给桥式电路施加单极性直流电源，而且在功率开关管的通断控制方式上也与现有技术不同；本发明实施例中给桥式逆变拓扑电路施加双极性直流电源，再配合控制，能够输出宏运动所需的正弦交流驱动信号和微运动所需的直流驱动信号。

在输出驱动信号参数的改变上，本发明不仅能实现相位可调、频率可调、幅值可调等功能，而且还能在输出直流驱动信号时，可以改变A、B相端口直流驱动信号的正负极性。这将满足宏微驱动压电直线电机在做位移定位时所需的任意驱动控制信号参数。

2、在输出微位移所需的直流驱动信号幅值方面，相比较于发明专利申请CN103683967A所用的双级放大结构来实现输出的高压直流连续可调，本发明采用了可控整流电路与正负直流输出可调高频开关电路二级拓扑电路结构。除了能实现直流连续可调功能外，其输出直流电压驱动信号的幅值范围达到1000V以上，且是正负双极性直流电，是后级简单逆变拓扑电路结构能输出2相交流电的必要条件，也实现了A、B相端口直流电极性任意改变。另在效率方面，高频开关电路效率高于线性运放电路。

3、本发明中所需的多路正15V直流电，以及微控制器电路所需的5V直流电直接采用多路独立直流输出高频开关电路实现，且优选模拟集成控制芯片方案，这将简化宏微驱动压电直线电机驱动控制器的电路结构，同时增加系统可靠性。

4、本发明实现宏微驱动压电直线电机的驱动控制方法，与发明专利申请CN103683967A也存在根本的不同之处：

一是采用协调控制策略，控制可控整流电路与正负直流输出可调高频开关电路，协调控制策略不会使可控整流电路的触发脉冲控制角a过大或过小，也不会使正负直流输出可调高频开关电路的PWM波占空比D过大或过小，这样能够使电路工作在最优状态，提供可控的高精度正负直流电，这是实现高精度微位移定位的关键因素之一。

二是控制方式存在3种模式：宏运动驱动模式、微运动驱动模式、宏微混合驱动模式。在任何模式下，都能根据位移测量系统所提供的反馈信号自动调节驱动信号的参数，如交流驱动信号的频率、相位差、幅值，直流驱动信号的幅值和正负极性。本发明的控制方法使得本发明的应用范围得到很大拓展，即可单独用于超声电机、微位移压电驱动器的驱动控制，也可作为宏微一体化压电直线电机的驱动控制器。

附图说明

图1为实施例1的系统原理框图；

图2为实施例1中多路独立直流输出高频开关电路原理图；

图3为实施例1中可控整流电路原理图；

图4为实施例1中正负直流输出可调高频开关电路原理图；

图5为实施例1中光电耦合隔离驱动电路原理图；

图6为实施例1中2相交流输出逆变电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例中宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，包括可控整流电路、多路独立直流输出高频开关电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路(简称光耦隔离驱动电路)、2相交流输出逆变电路、人机交互电路及微控制器电路。微控制器电路分别与可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路及人机交互电路连接，2相交流输出逆变电路分别与正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路连接，多路独立直流输出高频开关电路分别与微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、2相交流输出逆变电路连接。可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路在微控制器电路的协调控制下，主要实现AC-DC变换，并输出所需的正负直流电压。

微控制器电路包括实现控制和数据处理的DSP、ARM等类型微控制器芯片，与外部电路建立联系的A/D转换接口电路，以及存贮器芯片。其中A/D转换接口电路主要用于将外围检测电路的各项模拟信号转换成微控制器电路能够处理的数字信号，处理位移信号采用高速、24位集成A/D转换芯片，处理驱动信号的幅值采用16位集成A/D转换芯片。微控制器电路是驱动控制器的核心，用于初始化各项参数，作宏驱动时，初始化超声驱动信号的幅值、频率、相位和占空比，作微驱动时，初始化输出直流信号的幅值、方向；还用于接收并处理人机交互电路预先设定的参数信号及位移测量系统所检测的位移反馈信号，并根据参数信号及位移反馈信号输出相应的控制信号。控制信号包括：驱动可控整流电路晶闸管工作的触发脉冲信号，驱动正负直流输出可调高频开关电路MOSFET功率开关的PWM信号，以及控制2相交流输出逆变电路的4路PWM/SPWM信号。

所述人机交互电路包括液晶显示及触摸屏，用于设定驱动信号的幅值、频率及相位差，用于显示系统的所处状态及输出参数。人机交互电路一是用于设定工作参数，如电压、相位差、频率等；二是监测驱动控制器的输出频率、电压幅值等参数。

多路独立直流输出高频开关电路包括工频桥式整流电路、模拟集成控制芯片、功率MOSFET管、多输出高频变压器及高频整流滤波电路。多路独立直流输出高频开关电路主要输出5V、+15V等级的直流电压，向微控制器电路、人机交互电路提供5V工作电压，以及向晶闸管和MOSFET功率管提供+15V驱动电压。本实施例中，多路独立直流输出高频开关电路原理如图2所示，其中由二极管D3、D4、D8、D9组成的全桥整流电路直接对市电AC220V整流，经过滤波后作为多路独立直流输出高频开关电路的电源。多路独立直流输出高频开关电路采用反激拓扑电路结构，选用模拟集成控制芯片实现对功率MOSFET管Q5的通断控制。多输出高频变压器的次级侧连接由D5、D7、D11、D12组成的4路半波高频整流滤波电路。高频变压器的反馈绕组实现直流电压输出信号的稳压处理。在本发明中，多路独立直流输出高频开关电路的实施不局限于实施例1所采用的反激拓扑电路结构，采用半桥、全桥、正激、推挽等拓扑电路结构实现多路独立直流输出用于宏微驱动压电直线电机的驱动控制器的实施方案也在本发明保护范围内。

可控整流电路包括过零检测电路、触发脉冲放大电路及可控全桥整流电路。本实施例中，其原理图如图3所示，其中主要由光耦集成芯片U6组成的过零检测电路，用于检测市电AC220V的自然过零点，产生同步脉冲，并将同步脉冲输入微控制器电路；微控制器电路收到所述同步脉冲后开始定时，定时结束产生控制角为a的晶闸管触发脉冲驱动信号。主要由光耦集成芯片U5、三极管Q8、三极管Q9以及脉冲变压器T2组成的触发脉冲放大电路，与微控制器电路连接，用于对微控制器电路输出的触发脉冲驱动信号放大，放大后的触发脉冲驱动信号经过脉冲变压器T2后，可靠触发晶闸管导通。主要由晶闸管Q6、晶闸管Q7、二极管D18、二极管D19组成整流桥的可控全桥整流电路在触发脉冲驱动信号的作用下完成AC-DC变换，调整整流输出电压值。

本实施例中，正负直流输出可调高频开关电路原理如图4所示，主要作用是将可控整流电路的输出直流电经过高频变压器升压，输出正负直流电压作为2相交流输出逆变电路的电源。正负直流输出可调高频开关电路采用半桥拓扑电路结构，由MOSFET管Q10、Q11组成半桥电路；MOSFET驱动电路主要由集成驱动芯片U7及其外围电路组成。微控制器电路输出的PWM-5、PWM-6脉冲驱动信号经过集成驱动芯片U7放大后驱动MOSFET管Q10和Q11通断，完成DC-DC变换。带抽头高频变压器的初级侧与MOSFET管Q10和Q11连接，次级侧与全桥高频整流电路的二极管连接，由全桥高频整流电路输出正负绝对值相同的直流电。在本发明中，实现正负直流输出的高频开关电路拓扑电路结构不局限于半桥拓扑电路结构，驱动信号放大电路不局限集成驱动芯片，采用全桥拓扑电路结构、推挽拓扑电路结构、光电耦合驱动电路、脉冲变压器驱动电路等实现正负直流输出方案用于宏微驱动压电直线电机的驱动控制器也在本发明保护范围内。

本实施例中，光电耦合隔离驱动电路原理如图5所示，用于隔离放大微控制器电路输出的控制信号，以便驱动2相逆变交流输出电路的功率开关管；在电路结构上，包括4路隔离驱动放大电路，4路隔离驱动放大电路由4片集成光耦芯片组成，由多路独立直流输出高频开关电路供电。实现MOSFET通断控制的驱动电路方案很多，但鉴于在本发明中，2相交流逆变电路的4个MOSFET功率开关管在宏驱动时以一定频率实现通断，在微驱动时却保持一直导通或者一直关断；因此本发明中的光电耦合隔离驱动电路是为解决这一特殊应用而设计的。本发明中的光电耦合隔离驱动电路由4片MOSFET门驱动光电耦合集成芯U1、U2、U3及U4组成，微控制器电路输出的控制信号经过光电耦合隔离驱动电路放大后，分别驱动Q1～Q4。其中，U1、U2组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动高端MOSFET，分别对应驱动Q1、Q2，门驱动光电耦合器U1、U2分别由2路独立电源供电；U3、U4组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动低端MOSFET，分别对应驱动Q3、Q4，门驱动光电耦合器U3、U4共用1路独立电源。经有关文献报道，市面有实现相同功能的IGBT集成驱动芯片，因此采用具有相同功能的IGBT集成驱动芯片控制功率管的方案用于宏微驱动压电直线电机的驱动控制器也在本发明保护范围内。

本实施例中，2相交流输出逆变电路的原理如图6所示，主要由4个MOSFET管构成的逆变桥电路，其中由Q1、Q3构成一桥臂，Q2、Q4构成另一桥臂；在微控制器电路的控制信号作用下，4个功率MOSFET完成通断切换，可以输出宏运动所需的正弦驱动信号，或微运动所需的直流驱动信号。该电路采用正负直流输出可调高频开关电路输出的正负直流电压作为电源，MOSFET功率开关管所需的驱动信号是由微控制器电路输出的控制信号经过4路光电耦合隔离驱动电路放大的。通过微控制器电路的4路控制信号，能够在A、B相端口输出2相相位差可调、幅值可调、频率可调的交流驱动信号，也能在A、B相端口输出正负极性可调、幅值可调的直流驱动信号。微控制器电路输出两路控制信号PWM-1、PWM-3经过光电耦合隔离驱动电路放大输出两路驱动信号S1和S3，控制Q1和Q3通断。作宏运动驱动时，Q1和Q3轮流导通，完成正负直流电变换为正弦交流电，并从A相、COM端输出。作微运动驱动时，如果需要从A相、COM端输出正极性直流电，则Q1导通，Q3关闭；如果需要从A相、COM端输出负极性直流电，则Q3导通，Q1关闭。微控制器电路输出另两路控制信号PWM-2、PWM-4经过光电耦合隔离驱动电路放大输出另两路驱动信号S2和S4，控制Q2和Q4通断，其控制方法与控制Q1、Q3的方法相同。

本实施例以交流市电220V作为输入电源，通过多路独立直流输出高频开关电路输出+15V、+5V等级的直流电压用于驱动控制器各模块所需电压；通过可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，输出1000V范围内可调的直流电压给2相交流输出逆变电路供电。微控制器电路根据人机交互电路预先设定的参数，或从位移测量系统输出的反馈信号控制2相交流输出逆变电路，输出所需的频率、相位差、幅值可调的交流电，或正负极性、幅值可调的直流电。

本实施例的控制流程如下：

(1)上电后，由微控制器电路初始化各个模块。

(2)初始化后，微控制器电路检测人机交互电路输入的参数信号，并根据参数信号，决定是作宏驱动还是微驱动，以及驱动信号的各项参数；然后输出可控整流电路所需的触发脉冲控制信号，输出正负直流输出可调高频开关电路所需的PWM驱动信号，输出2相交流输出逆变电路所需的SPWM/PWM驱动信号。

(3)根据从人机交互电路设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，系统工作在宏运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出宏运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态。

(4)根据从人机交互电路设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，系统工作在微运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出微运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态。

(5)根据从人机交互电路设定的指令信息，以及从位移测量系统检测的位移信号，系统工作在宏微运动混合驱动工作模式时，位移测量系统检测的位移信号经过A/D转换输入微控制器电路，微控制器电路将所述位移信号与所设定的指令信息中包含的期望定位信号进行比较，得到位移定位差。微控制器电路再将所述位移定位差与存储在微控制器电路中的宏微驱动压电直线电机的微位移行程做比较，若位移定位差超出宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程时，微控制器电路协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，并使2相交流输出逆变电路工作在逆变模式下，输出宏运动所需的正弦交流驱动信号，以调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态；如果位移定位差在宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程范围内时，先使2相交流输出逆变电路工作在直流电输出模式下，同时计算、处理位移测量系统检测的位移信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，然后输出恰当控制角a给可控整流电路、输出恰当占空比D的PWM信号给正负直流输出可调高频开关电路，经过2相交流逆变电路输出微运动所需的直流驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态。

上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，包括可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路、2相交流输出逆变电路及微控制器电路，微控制器电路分别与可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路连接，2相交流输出逆变电路分别与正负直流输出可调高频开关电路、光电耦合隔离驱动电路连接；在微控制器电路的协调控制下，正负直流输出可调高频开关电路将可控整流电路的输出直流电经过升压处理，输出正负直流电压作为2相交流输出逆变电路的电源；微控制器电路对2相交流输出逆变电路输出控制信号，所述控制信号经光电耦合隔离驱动电路隔离放大后，驱动2相交流输出逆变电路产生宏运动所需的正弦驱动信号或微运动所需的直流驱动信号。

2.根据权利要求1所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述可控整流电路包括过零检测电路、触发脉冲放大电路及可控全桥整流电路；所述可控全桥整流电路的整流回路上设有晶闸管；所述触发脉冲放大电路连接在所述晶闸管与微控制器电路之间；所述过零检测电路连接在市电与微控制器电路之间，用于检测市电的自然过零点，产生同步脉冲，并将同步脉冲输入微控制器电路；微控制器电路收到所述同步脉冲后开始定时，定时结束产生控制角为a的晶闸管触发脉冲驱动信号，触发脉冲放大电路对微控制器产生的触发脉冲驱动信号进行放大；放大后的触发脉冲驱动信号触发可控全桥整流电路的晶闸管导通，调整可控整流电路的整流输出电压值。

3.根据权利要求2所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述可控全桥整流电路的整流桥主要由晶闸管Q6、晶闸管Q7、二极管D18、二极管D19组成；

所述触发脉冲放大电路包括依次连接的光耦集成芯片U5、三极管Q9、三极管Q8以及脉冲变压器T2，光耦集成芯片U5与微控制器电路连接，脉冲变压器T2与可控全桥整流电路连接。

4.根据权利要求2所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述驱动控制装置还包括分别与微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、2相交流输出逆变电路连接的多路独立直流输出高频开关电路；多路独立直流输出高频开关电路输出直流电，为微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、可控整流电路、正负直流输出可调高频开关电路、2相交流输出逆变电路供电。

5.根据权利要求1所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述正负直流输出可调高频开关电路采用半桥拓扑电路结构、全桥拓扑电路结构或推挽拓扑电路结构。

6.根据权利要求5所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述半桥拓扑电路结构包括MOSFET管Q10、MOSFET管Q11，以及MOSFET驱动电路、带抽头高频变压器、全桥高频整流电路；带抽头高频变压器的初级侧与MOSFET管Q10、Q11连接，次级侧与全桥高频整流电路连接；微控制器电路输出的PWM脉冲驱动信号经过MOSFET驱动电路放大后驱动MOSFET管Q10和Q11通断，全桥高频整流电路输出正负绝对值相同的直流电作为2相交流输出逆变电路的电源；

所述MOSFET驱动电路采用集成驱动芯片、光电耦合驱动电路或者脉冲变压器驱动电路。

7.根据权利要求1所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述2相交流输出逆变电路为由4个MOSFET管Q1、Q2、Q3及Q4构成的逆变桥电路，其中由Q1、Q3构成一桥臂，Q2、Q4构成另一桥臂；在微控制器电路的控制信号作用下，4个MOSFET管完成通断切换，输出宏运动所需的正弦驱动信号，或微运动所需的直流驱动信号；

所述4个MOSFET管所需的驱动信号由微控制器电路输出的控制信号经过光电耦合隔离驱动电路放大。

8.根据权利要求7所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述光电耦合隔离驱动电路包括4片MOSFET门驱动光电耦合集成芯U1、U2、U3及U4，U1、U2组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动MOSFET管Q1、Q2，U3、U4组成的光电耦合隔离驱动电路用于驱动MOSFET管Q3、Q4。

9.根据权利要求1所述的宏微驱动压电直线电机的驱动控制装置，其特征在于，所述驱动控制装置还包括分别与微控制器电路、光电耦合隔离驱动电路、2相交流输出逆变电路连接的多路独立直流输出高频开关电路。

10.基于权利要求1-9中任一项所述驱动控制装置的宏微驱动压电直线电机的驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)上电后，由微控制器电路初始化各个模块；

(2)初始化后，微控制器电路检测输入的参数信号，并根据参数信号，决定是作宏驱动还是微驱动，以及驱动信号的各项参数；然后输出可控整流电路所需的触发脉冲控制信号，输出正负直流输出可调高频开关电路所需的PWM驱动信号，输出2相交流输出逆变电路所需的SPWM/PWM驱动信号；

(3)根据设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，工作在宏运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出宏运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态；

(4)根据设定的指令信息，或从位移测量系统输出的位移反馈信息，工作在微运动驱动工作模式时，初始化完参数后，微控制器电路产生控制信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，经过2相交流输出逆变电路输出微运动的驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的运行状态；

(5)根据设定的指令信息，以及从位移测量系统检测的位移信号，工作在宏微运动混合驱动工作模式时，位移测量系统检测的位移信号经过A/D转换输入微控制器电路，微控制器电路将所述位移信号与所设定的指令信息中包含的期望定位信号进行比较，得到位移定位差；微控制器电路再将所述位移定位差与存储在微控制器电路中的宏微驱动压电直线电机的微位移行程做比较，若位移定位差超出宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程时，微控制器电路协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，使其输出恰当的直流电压值，并使2相交流输出逆变电路工作在逆变模式下，输出宏运动所需的正弦交流驱动信号，以调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态；如果位移定位差在宏微驱动压电直线电机的最优微位移行程范围内时，先使2相交流输出逆变电路工作在直流电输出模式下，同时计算、处理位移测量系统检测的位移信号，协调控制可控整流电路和正负直流输出可调高频开关电路，然后输出恰当控制角a给可控整流电路、输出恰当占空比D的PWM信号给正负直流输出可调高频开关电路，经过2相交流逆变电路输出微运动所需的直流驱动信号调节宏微驱动压电直线电机的宏驱动运行状态。