CN105429476A - 一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源 - Google Patents

一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种驱动电源，特别涉及一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，属于压电陶瓷驱动领域。本发明包括控制电路模块、整流逆变模块、多电平串联模块和放大输出模块。本发明在保证足够快的频率响应基础上，同时实现了输出电压的高范围、高线性度和高效率，采用多电平串联电路，实现输出电压的高范围，采用线性的推挽电路，实现电压输出的高线性度，采用两路保持有小电压差的动态电压给放大输出模块的推挽电路供电，实现整个压电陶瓷驱动电源的高效率输出。

Description

一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源
技术领域
本发明涉及一种驱动电源，特别涉及一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，属于压电陶瓷驱动领域。
背景技术
近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的迅速发展，目前已经进入了“纳米”时代，纳米定位技术是现代高精度制造技术的重要组成部分。压电陶瓷执行器已经应用于需要高频运动的高精度控制设备中，例如纳米定位系统、高速微机械系统、扫描探针显微镜和振动控制系统等。
压电陶瓷执行器主要基于逆压电效应，利用压电陶瓷在电场作用下发生形变，从而驱动探针等执行部件发生微位移。
传统的压电陶瓷驱动器主要有两种形式，一是基于直流变换原理的开关式驱动电源，其体积小、功率损耗小、效率高，但高频干扰较大，电源输出纹波较大，频响范围较窄。另一种是直流放大式线性驱动电源，其输出纹波小、频响范围宽，然而，其功耗较大，效率低，工作电压不高。所以传统的压电陶瓷驱动电源很难同时满足输出电压范围大、线性度高、效率高等要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术无法同时满足输出电压范围大、线性度高、效率高等要求的问题，提供了一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源。该驱动电源克服现有电压输出范围低、开关式驱动电源的线性度低、线性驱动电源的效率低等问题，同时实现了输出电压的高范围、高线性度和高效率，同时保证了输出电压足够的频率响应。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，包括控制电路模块、整流逆变模块、多电平串联模块和放大输出模块。市电220V交流连接到整流逆变模块的输入端，整流逆变的输出端与多电平串联模块的输入端相连，多电平串联模块的输出端与放大输出模块的输入端相连，放大输出模块的输出作为压电陶瓷致动器的供电电源。放大输出模块的供电电压和输出电压分别反馈连接到控制电路模块，控制电路模块的PWM信号输出连接到整流逆变模块和多电平串联模块。控制电路模块输出的指令电压连接到放大输出模块。
工作过程：控制电路模块输出PWM信号控制整流逆变电路和多电平串联模块中的每个多电平单元，市电220V交流输入接到整流逆变模块的输入端，变换输出高频的交流电压，作为多电平串联模块中每个多电平单元的交流供电，在控制电路模块的控制下，多电平串联模块输出两路动态电压，所述动态电压值的范围是0V～1000V；此两路电压作为放大输出模块的供电，且它们之间保持有小电压差；所述小电压差值为20V～40V；控制电路模块将输出电压进行采样，在处理器中计算后并控制DA产生输出电压指令，传递给放大输出模块，调节输出电压，此输出电压用于直接驱动压电陶瓷致动器。
所述多电平串联模块，包含n个多电平单元，可输出n+1个电平的电压。每个多电平单元都包含一个高频变压器、整流电路；其中一个多电平单元包含一个完整的H桥，其他多电平单元都只包含一个桥臂；将n个多电平单元串联，需保证包含H桥的多电平单元位于输出端；对n个多电平单元进行控制，可以使包含H桥的多电平单元的左右桥臂分别输出高电压，这两路高电压之间的电压差也可以控制。控制电路模块中，采用SPWM方法产生多路PWM控制信号，分别控制n个单元的各个桥臂，并且使两路输出电压保持一固定的小电压差；所述小电压差值为20V～40V。
所述多电平单元的数量至少为三个。
所述放大输出模块，包含隔离电源模块、运算放大器、隔离放大器、集成线性功放模块和推挽电路。其中，+15V供电输入连接到运算放大器和隔离电源模块的前端，隔离电源模块的输出为隔离后的供电电源，并且连接到隔离放大器的后端和集成线性功放模块。推挽电路的供电输入与多电平串联模块两路高压输出相连。隔离放大器输入连接控制板的输出指令电压，经过隔离放大后，再经过线性功放模块的功率放大，作为驱动信号，驱动推挽管工作。
所述控制电路模块，包含DSP、FPGA、AD电压采样、DA指令输出和PWM输出部分。DSP与FPGA连接，FPGA与AD电压采样、DA指令输出和PWM输出连接。FPGA控制AD转换芯片工作，放大输出模块的输出电压连接到AD电压采样，FPGA实时读取各路电压采样值。FPGA与DSP之间用数据总线和地址总线连接，FPGA将读取的各路电压值传送给DSP，DSP作为中央处理器进行计算，将输出电压指令和各路PWM的数值传送给FPGA，FPGA控制DA转换器输出对应的指令电压，同时，FPGA输出各路PWM。PWM采用光纤传输以进行电气隔离。
所述的控制电路模块控制多电平串联模块的输出动态电压UH、UL，始终满足UH比放大输出模块的输出电压Uo高一个小的余量电压，UL比放大输出模块的输出电压Uo低一个小的余量电压，所述小的余量电压范围是10V～20V，UH和UL的值随Uo的变化而变化，减小推挽电路的功率损耗。
所述整流逆变模块，包含整流电路和H桥逆变电路。整流电路将市电220V交流电压整流成直流电，再经过H桥逆变电路逆变输出高频的交流电压，所述H桥逆变电路由控制电路模块进行PWM控制。
有益效果
1、本发明采用多电平串联电路，用低压功率器件实现高压输出，提升工作电压，输出电压范围大。
2、本发明输出级采用的推挽放大电路，属于线性放大电路，能实现电压输出的高线性度。
3、本发明采用开关线性混合的形式，放大输出模块的推挽电路由开关式的多电平串联模块供电，且供电的两路电压保持有20V～40V的小电压差，开关式电路和动态供电的放大输出模块效率都很高，提高整体效率。
附图说明
图1为本发明的多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源的总体结构示意图；
图2为本发明控制电路模块的总体框图；
图3为本发明整流逆变模块的电路图；
图4为本发明具体实施方式中多电平串联模块的电路图；
图5为本发明具体实施方式中放大输出模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，包括控制电路模块、整流逆变模块、多电平串联模块和放大输出模块。整流逆变的输出端与多电平串联模块的输入端相连，多电平串联模块的输出端与放大输出模块的供电输入端相连，放大输出模块的输出作为压电陶瓷致动器供电电源。放大输出模块的供电和输出电压分别反馈连接到控制电路模块，控制电路模块的PWM输出作为驱动信号通过光纤连接到整流逆变模块和多电平串联模块。
市电220V交流输入接到整流逆变模块的输入端，首先经过整流电路得到直流电压，控制电路模块输出PWM信号，经过光纤传导，控制整流逆变模块中的逆变电路输出高频交流电压。此高频交流电压，作为多电平串联模块中每个多电平单元的交流供电。同时，控制电路模块输PWM信号，经过光纤传导，控制多电平串联模块输出两路动态高电压，此两路高电压作为放大输出模块的供电，且它们之间保持有20V～40V的电压差。控制电路模块将两路动态高电压和放大输出模块的输出电压进行采样，在处理器中计算后，经DA转换输出指令电压，传递给放大输出模块，以此调节输出电压，此输出电压作为压电陶瓷致动器的驱动电源。
如图2所示，本发明具体实施方式中的控制电路模块，包含DSP、FPGA、AD电压采样、DA指令输出和PWM输出部分。DSP与FPGA经过16位数据总线和12位地址总线连接，FPGA与AD电压采样、DA指令输出和PWM输出连接。AD转换器选择16位分辨率的AD7606芯片。多电平串联模块输出的两路动态高电压和放大输出模块的输出电压连接到AD电压采样，在FPGA控制信号下，AD转换芯片对所采集电压实时进行AD转换，FPGA实时读取各路电压采样值。FPGA与DSP之间通过数据总线和地址总线进行多个数据的实时通信，FPGA将读取的各路电压值传送给DSP，DSP作为中央处理器进行计算，将输出电压指令和各路PWM值传送给FPGA，PWM频率设置为20KHz。DA转换器选择16位分辨率的AD5547芯片。FPGA控制DA转换器输出对应的指令电压，连接到放大输出模块，同时，FPGA输出各路PWM，通过光纤分别连接到整流逆变模块和多电平串联模块。
如图3所示，本发明具体实施方式中的整流逆变模块，包括整流桥和H桥逆变电路。整流逆变模块输入AC1与市电220V交流连接，输出AC2连接到多电平串联模块。整流桥将交流电压AC1整流，并通过C1进行滤波和稳压得到稳定的直流电压。H桥中Q1、Q2、Q3、Q4采用MOS管，控制电路模块输出两路占空比均为50％且互为反相的PWM信号，作为H桥的两个桥臂上管的控制信号，其中，每个桥臂的下管的PWM控制信号与上管的PWM控制信号始终反相，且含有死区。H桥逆变电路输出AC2为20KHz的高频交流电压。
如图4所示，本发明具体实施方式中的多电平串联模块，包含5个多电平单元，可输出6电平的电压。多电平单元1包含一个高频变压器、整流桥和一个完整的H桥，多电平单元2-5都包含一个高频变压器、整流桥和一个桥臂，五个单元依次串联起来。每个多电平单元中的开关管选用MOS管。每个多电平模块中，以多电平单元5为例，高频变压器T5将AC2高频交流电压经过1:1变比转换并连接到整流桥，高频变压器的作用是电气隔离。整流桥将变压器输出的交流电压整流，并经过电容C6滤波和稳压得到稳定的直流电压。Q15和Q16构成一个桥臂，控制电路模块输出的PWM控制Q15和Q16的开通和关断，使多电平单元1输出不同时长的高直流电压和低直流电压。
多电平单元1的右桥臂和多电平单元2-5组成的5级多电平，采用SPWM调制方法，DSP计算各路PWM值，传递给FPGA，FPGA产生各路PWM，控制相应桥臂的MOS管导通与关断。同时，在FPGA中实时计算，使多电平单元1左桥臂上管Q5开通时间比右桥臂上管Q6开通时间长，从而使左桥臂输出电压比右桥臂输出电压高一定值。左右桥臂输出电压差受DSP的可调控制。L1、C8和L2、C7分别构成一组LC滤波电路，滤除由高频开关引起的纹波。输出高电压UH和低电压UL均以PGND为地，作为供电电压连接到放大输出模块的推挽电路。
根据对多电平串联模块的输出电压UH、UL的电压采样，结合计算出的输出指令电压，DSP内计算多电平串联模块的两路输出电压，并且计算得到各个桥臂的PWM值，将它们传递给FPGA，FPGA产生各路PWM控制相应桥臂工作，如此闭环控制，使输出动态电压稳定。
如图5所示，本发明具体实施方式中放大输出模块，包含隔离电源模块、运算放大器、隔离放大器、集成线性功放和推挽电路。其中，隔离电源模块U1的供电输入连接到+15V，运算放大器U2和隔离放大器U3前端采用+15V供电。多电平串联模块的地PGND连接到电源地GND。隔离电源模块U1输出的隔离后的ISO-15V与推挽电路供电电压低侧UL相连，由于隔离后的ISO+15V和ISO-15V给集成线性功放U4供电，所以集成线性功放U4输出的驱动信号Vdr的电压范围是UL到UL+30V。推挽电路的电压输入UH和UL与多电平串联模块两路高压输出相连，推挽电路由互补推挽管Q17和Q18组成，D1、D2和R4是推挽电路的附属电路，用于消除其交越失真，推挽电路的输出为Uo。
根据对放大输出模块的输出电压Uo进行采样，DSP进行算法计算输出电压指令并传递给FPGA，FPGA控制DA转换器，产生指令电压Vin，与输出电压反馈进行比较后，再由隔离放大器U3放大后，得到Vf，再经过集成线性功放U4的功率放大，得到具有驱动能力的信号Vdr，驱动推挽电路工作，如此闭环控制输出电压Uo，并使其稳定。
所述的控制电路模块控制多电平串联模块的输出动态电压UH、UL，控制其始终满足UH比放大输出模块的输出电压Uo高一个小的余量电压，UL比Uo低一个小的余量电压，所述小的余量电压范围是10V～20V，控制UH和UL的值随Uo的变化而变化，即UH和UL之间保持有20V～40V的小电压差，减小推挽电路的功率损耗。

Claims (8)

1.一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：包括控制电路模块、整流逆变模块、多电平串联模块和放大输出模块；市电220V交流连接到整流逆变模块的输入端，整流逆变的输出端与多电平串联模块的输入端相连，多电平串联模块的输出端与放大输出模块的输入端相连，放大输出模块的输出作为压电陶瓷致动器的供电电源；放大输出模块的供电电压和输出电压分别反馈连接到控制电路模块，控制电路模块的PWM信号输出连接到整流逆变模块和多电平串联模块；控制电路模块输出的指令电压连接到放大输出模块。
2.如权利要求1所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述多电平串联模块，包含n个多电平单元，可输出n+1个电平的电压；每个多电平单元都包含一个高频变压器、整流电路；其中一个多电平单元包含一个完整的H桥，其他多电平单元都只包含一个桥臂；将n个多电平单元串联，需保证包含H桥的多电平单元位于输出端；对n个多电平单元进行控制，可以使包含H桥的多电平单元的左右桥臂分别输出高电压，这两路高电压之间的电压差也可以控制；控制电路模块中，采用SPWM方法产生多路PWM控制信号，分别控制n个单元的各个桥臂，并且使两路输出电压保持一固定的小电压差；所述小电压差值为20V～40V。
3.如权利要求1或2所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述多电平单元的数量至少为三个。
4.如权利要求1所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述放大输出模块，包含隔离电源模块、运算放大器、隔离放大器、集成线性功放模块和推挽电路；其中，+15V供电输入连接到运算放大器和隔离电源模块的前端，隔离电源模块的输出为隔离后的供电电源，并且连接到隔离放大器的后端和集成线性功放模块；推挽电路的供电输入与多电平串联模块两路高压输出相连；隔离放大器输入连接控制板的输出指令电压，经过隔离放大后，再经过线性功放模块的功率放大，作为驱动信号，驱动推挽管工作。
5.如权利要求1所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述控制电路模块，包含DSP、FPGA、AD电压采样、DA指令输出和PWM输出部分；DSP与FPGA连接，FPGA与AD电压采样、DA指令输出和PWM输出连接；FPGA控制AD转换芯片工作，放大输出模块的输出电压连接到AD电压采样，FPGA实时读取各路电压采样值；FPGA与DSP之间用数据总线和地址总线连接，FPGA将读取的各路电压值传送给DSP，DSP作为中央处理器进行计算，将输出电压指令和各路PWM的数值传送给FPGA，FPGA控制DA转换器输出对应的指令电压，同时，FPGA输出各路PWM；PWM采用光纤传输以进行电气隔离。
6.如权利要求1所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述的控制电路模块控制多电平串联模块的输出动态电压UH、UL，始终满足UH比放大输出模块的输出电压Uo高一个小的余量电压，UL比放大输出模块的输出电压Uo低一个小的余量电压，所述小的余量电压范围是10V～20V，UH和UL的值随Uo的变化而变化，减小推挽电路的功率损耗。
7.如权利要求1所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述整流逆变模块，包含整流电路和H桥逆变电路；整流电路将市电220V交流电压整流成直流电，再经过H桥逆变电路逆变输出高频的交流电压，所述H桥逆变电路由控制电路模块进行PWM控制。
8.如权利要求1、2、4、5、6或7任意一项所述的一种多电平开关线性复合式压电陶瓷驱动电源，其特征在于：工作过程：控制电路模块输出PWM信号控制整流逆变电路和多电平串联模块中的每个多电平单元，市电220V交流输入接到整流逆变模块的输入端，变换输出高频的交流电压，作为多电平串联模块中每个多电平单元的交流供电，在控制电路模块的控制下，多电平串联模块输出两路动态电压，所述动态电压值的范围是0V～1000V；此两路电压作为放大输出模块的供电，且它们之间保持有小电压差；所述小电压差值为20V～40V；控制电路模块将输出电压进行采样，在处理器中计算后并控制DA产生输出电压指令，传递给放大输出模块，调节输出电压，此输出电压用于直接驱动压电陶瓷致动器。
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