CN108983413A - 基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源 - Google Patents
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Abstract
基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，涉及光学领域。本发明是为了解决现有对于压电变形镜驱动方式大多采用电压驱动型，导致压电变形镜的变形存在迟滞效应、影响变形镜的控制精度的问题。微控制器，用于根据接收到的指令控制相应的电荷驱动模块完成两种动作：为电容充电的开关动作和为电容放电的开关动作，每个电荷驱动模块，用于接收为电容充电的开关动作指令，从多个不同电压值的电压源中选取正电压源或负电压源为电容充电，当所有的电容完成充电后，接收为电容放电的开关动作指令，控制某个电容放电给相应的致动器，从而使该致动器产生电荷量，该电荷量形成驱动力，使致动器产生一定的位移，从而改变镜面的面形。它用于改变镜面的面形。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种变形镜驱动电源，具体涉及的是一种基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，属于光学领域。
背景技术
随着自适应光学需求的日益增长，研究人员对自适应光学系统的关键器件—变形镜进行了大量的研究工作，发展了压电驱动变形镜、静电驱动变形镜、电磁驱动变形镜、液晶空间光调制器等不同类型的变形镜。其中基于压电材料驱动的变形镜具有大变形量、高频响、低功耗、高稳定性等优点，是目前应用最为广泛的变形镜。根据驱动原理的不同，目前，压电变形镜的驱动电源可分为电压驱动型和电荷驱动型，其中电压驱动型为目前的主流驱动方式。但是，在电压驱动方式下，由于压电材料的非线性特性，压电变形镜受到迟滞等特性的影响使其应用受到限制。在开环控制中，压电变形镜的迟滞可达10％左右，严重影响了变形镜的控制精度，而且压电材料的迟滞属于非局部储存型迟滞非线性，即下一时刻的输出位移不仅取决于当前时刻的输入电压和输出位移，还与之前输入的历史有关。在闭环控制中，尽管增加迭代次数可以消除迟滞影响，这会大大降低闭环带宽，严重影响变形镜的控制频率。例如，在自适应光学视网膜成像系统中，通常需要10-20次闭环迭代才能达到较好的效果。为了克服这一难题，国内外多数研究学者提出通过建立迟滞模型的方法来消除压电变形镜的迟滞特性。但是这些模型基本都具有模型复杂，参数多且不易确定，对参数敏感，运算量大等缺点，加之压电变形镜致动器个数较多，使其精确控制变更加困难。电荷驱动型，其基本原理是电压陶瓷的输出位移与压电陶瓷两端的电荷量成正比，基本思想是通过精确控制压电陶瓷的充电电流及充电时间来控制压电陶瓷的充电量。当前，对于压电变形镜驱动方式基本都是电压驱动型的，关于电荷驱动型的很少。
发明内容
本发明是为了解决现有对于压电变形镜驱动方式大多采用电压驱动型，导致压电变形镜的变形存在迟滞效应、影响变形镜的控制精度的问题。现提供基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源。
基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，所述变形镜由镜面和多个致动器组成，多个致动器设置在镜面下方，用于接收电压信号，并将该电压信号转化为应变，从而形成驱动力施加在镜面上，进而改变镜面的面形，其特征在于，它包括微控制器1和多个电荷驱动模块2，
微控制器1，用于根据接收到的指令控制相应的电荷驱动模块2完成两种动作：为电容充电的开关动作和为电容放电的开关动作，
每个电荷驱动模块2，用于接收为电容充电的开关动作指令，从多个不同电压值的电压源中选取正电压源或负电压源为电容充电，当所有的电容完成充电后，接收为电容放电的开关动作指令，控制某个电容放电给相应的致动器，从而使该致动器产生电荷量，该电荷量形成驱动力，使致动器产生一定的位移，从而改变镜面的面形。
本发明的有益效果为：
计算机通过串口通信将控制信号传输给微控制器，微控制器通过控制信号改变自身相应引脚电位的高低，选取对应的电荷驱动模块，并控制电荷驱动模块中对应的开关闭合，实现对电容充电以及对变形镜致动器充电的功能，对任何一个电荷驱动模块而言，微控制器根据接收到的控制信号，控制开关选取直流电压源，之后使电容与直流电压源相接，此时直流电压源给电容充电。当选择正电压源时则给电容充正电荷，选择负电压源时给电容充负电荷。当电容完成充电时，电容与电压源断开，控制电容与运算放大器的反相输入端连通，由于运算放大器的正相输入端接地，故而其反向输入端虚地，电势为0V，且正相输入端和反相输入端电流几乎为0，所以此时的电容相当于一个电源，给致动器充电。通过正负电源的切换，可以实现电容上电荷的正负的改变，从而实现对压电变形镜的致动器上电荷多少的改变，进而改变压电变形镜的面形，达到校正光学相差的目的。
此外，电容可以包括一个大电容和一个小电容。其中，大电容采用大电荷增量快速接近目标值，小电容采用小电荷增量精密逼近目标值，实现快速驱动与高分辨率的结合。本申请只针对每个致动器地线分开的变形镜。此外由于压电变形镜的致动器在整体上呈容性，其等效电阻大约在几百兆欧，在频率较低时存在电荷泄露现象，影响控制精度，但是在自适应光学系统中，压电变形镜需要实时校正像差，频率几十赫兹到几百赫兹，因此不受电荷驱动方式在静态条件下应用的限制。
本申请，与现有技术相比具有以下突出优点：
1.相对于电压型驱动电源，此电源可降低压电变形镜的迟滞效应，其迟滞在1％左右，可提高变形镜控制精度。
2.此电源中没有价格昂贵的数模转换芯片，成本低廉，且通信简单，易于控制。
本申请通过提供一种基于电荷驱动的多通道驱动电源，实现对多通道压电变形镜的控制，使压电变形镜致动器的位移与其两端的电荷量成正比，从而减小压电变形镜的迟滞，提高其控制精度，使其可以更好的应用在自适应光学领域。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源的原理示意图；
图2为使用一大一小两个电容的电荷驱动模块工作原理图；
图3为使用一大一小两个电容的电荷驱动模块工作逻辑时序图；
图4为使用一个电容的电荷驱动模块工作原理图；
图5为使用本申请的驱动电源驱动压电变形镜某个致动器的位移幅值图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，所述变形镜由镜面和多个致动器组成，多个致动器设置在镜面下方，用于接收电压信号，并将该电压信号转化为应变，从而形成驱动力施加在镜面上，进而改变镜面的面形，其特征在于，它包括微控制器1和多个电荷驱动模块2，
微控制器1，用于根据接收到的指令控制相应的电荷驱动模块2完成两种动作：为电容充电的开关动作和为电容放电的开关动作，
每个电荷驱动模块2，用于接收为电容充电的开关动作指令，从多个不同电压值的电压源中选取正电压源或负电压源为电容充电，当所有的电容完成充电后，接收为电容放电的开关动作指令，控制某个电容放电给相应的致动器，从而使该致动器产生电荷量，该电荷量形成驱动力，使致动器产生一定的位移，从而改变镜面的面形。
本实施方式中，驱动电源的最小分辨率并不是一成不变的，可以通过开关的开启或闭合使电压源对不同容值的电容充电和通过控制高速模拟开关中的各开关的开启或闭合，切换不同电容值的电容输出不同的电荷量，从而来改变输出电源的最小分辨率(可以通过改变电容的容值和电压源的幅值来改变电源的最小分辨率)，但是会相应的增加开关的切换次数。
计算机发送控制指令给微控制器1，微控制器1根据接收到的指令选择相应的电荷驱动模块2，并控制电荷驱动模块2电路的改变时序，将目标电荷份数转移至致动器上。对每一个电荷驱动模块2而言，都包括正负直流电压源，高速模拟开关，电容和运算放大器，整个模块的功能是以电容为中介实现对电荷的搬运。对所有的电荷驱动模块2而言，正负直流电压源可共用也可不共用，但其它电路都不共用。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，每个电荷驱动模块2中的电容为一个或者多个，多个电容之间的容值相差5～10倍。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，多个电荷驱动模块2的结构相同或不同。
具体实施方式四：参照图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，电荷驱动模块(2)包括高速模拟开关、运算放大器、电容C1i-C2i、正电压源+E和负电压源-E，
高速模拟开关包括5个与门和5个开关，5个开关分别为开关S1-S5，
5个与门的输入端分别连接微控制器1的5个控制信号输出端，每个与门的输出端连接一个开关的控制端，开关S1的一端连接正电压源+E的正极，正电压源+E的负极、电容C1i的一端、负电压源-E的负极和电容C2i的一端均连接电源地，电容C1i的另一端同时连接开关S2的一端和开关S3的一端，负电压源-E的正极连接开关S4的一端，电容C2i的另一端连接开关S5的一端，开关S1的另一端同时连接开关S3的另一端、开关S4的另一端和开关S5的另一端，开关S5的另一端和开关S2的另一端均连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端均连接致动器的电源信号输出端。
实施例1：
如图2所示是使用一大一小两个电容的电荷驱动模块2工作原理。C1i为大电容，使压电变形镜快速接近目标面形，C2i为小电容使压电变形镜精确达到目标面形。当控制此模块中开关S1和开关S3动作时，选择正电压源+E为电容C1i充电，参考电压为正，压电变形镜致动器上的电荷△Qact逐渐增加，当控制此模块中开关S1和开关S5动作时，选择正电压源+E为电容C2i充电，参考电压为正，压电变形镜致动器上的电荷△Qact逐渐增加；当控制此模块中开关S4和开关S3动作时，选择负电压源-E为电容C1i充电，参考电压为负，压电变形镜致动器上的电荷△Qact逐渐减少，当控制此模块中开关S4和开关S5动作时，选择负电压源-E为为电容C2i充电，参考电压为负，压电变形镜致动器上的电荷△Qact逐渐减少。
如图3所示是使用一大一小两个电容的电荷驱动模块2工作逻辑时序图。当开关选择大电容时，压电变形镜致动器上的电荷快速增加或者减少，当开关选择小电容式时，压电变形镜致动器上的电荷逐渐逼近目标值，每一台阶的电荷份数分别为EC1和EC2。
如图5所示是使用此电源驱动压电变形镜某个致动器实测的位移幅值，其整体迟滞在1％左右。
具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，电荷驱动模块2包括高速模拟开关、运算放大器、电容Ci、正电压源+E和负电压源-E，
高速模拟开关包括4个与门和4个开关，4个开关分别为开关S1-S4，
4个与门的输入端分别连接微控制器1的4个控制信号输出端，每个与门的输出端连接一个开关的控制端，开关S1的一端连接正电压源+E的正极，正电压源+E的负极、电容Ci的一端和负电压源-E的负极均连接电源地，电容Ci的另一端同时连接开关S2的一端和开关S3的一端，负电压源-E的正极连接开关S4的一端，开关S1的另一端同时连接开关S3的另一端和开关S4的另一端，开关S2的另一端和开关S4的另一端均连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端均连接致动器的电源信号输出端。
实施例2：
如图1所示，上位机通过RS232串口或USB将一组数据传输给微控制器1，微控制器(1)得到数据后，首先识别判断出是电荷驱动电路的哪一个模块，并控制该模块中开关动作，将目标电荷量送至压电变形镜对应的致动器上，使变形镜产生相应变形。微控制器1对压电变形镜致动器的控制可以从致动器1开始，直至最后一个致动器。也就说，电荷驱动模块2从模块1开始工作，当模块1工作完成后，模块2工作，直至最后一个模块工作完成，此时也就意味着压电变形镜完成了一次面形校正。此外，在电路中这些电荷驱动模块2既可以共用正负直流电压源，也可以不共用，但电容，高速模拟开关及运算放大器都不共用。
如图4所示是使用一个电容的电荷驱动模块2的工作原理，其具体的工作过程如下：微控制器1根据上位机传输的数据，判断出属于哪个模块后，首先控制此模块中开关S1动作，当开关S1接开关S3时选择正电压源+E，开关S4接开关S3时选择负电压源-E。电压源给电容充电，充电的电荷量△Q为+ECi或者是-ECi，这取决于开关S1和S4。当充电完成之后，微控制器控制开关S3和开关S1或开关S4断开，开关S2开启，此时，完成充电的电容与运算放大器的反向输入端相接，由于运算放大器的正向输入端接地，故而其反向输入端虚地，电势为0V，且正向输入端和反向输入端电流几乎为0，所以此时的电容相当于一个电源，给变形镜致动器充电，当充电完成，变形镜致动器上的电荷△Qact为+ECi或者是-ECi。当电容上的电荷全部转移到变形镜致动器上后，微控制器1继续控制开关开启为电容充电，在控制电容放电，如此往复n次，使变形镜致动器上的电荷数量不断增加或者减少，直到变形镜致动器到达目标位移。值得注意的是虽然压电变形镜有多个致动器，而且他们的电容也不完全相同，但是，就每个致动器而言，在整个开关切换的过程中，其电容是基本不变的，电压也不改变，故每次加载到致动器上的电荷量也是一样的，最终致动器上的电荷大小为：
Qact＝△Qact+△Qact+···+△Qact＝+nECi或-nECi (1)
在电路中，最终每个压电陶瓷致动器上的电荷增量△Qact可等效为电压增量△Vact
这里的Cact表示该压电陶瓷的致动器的等效电容，Ci表示电路中选取的电容，E表示直流电压源的电压值，由上述公式(2)可以看出，致动器上的电压增量△Vact仅仅与电容和致动器等效电容的比值以及电压源的电压值有关。为了提高分辨率，可以选择较小的电容和电压源的电压值，但是这样就增加了开关的切换次数。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，上位机通过RS232串口或USB将指令传输给微控制器1。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四或五所述的基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源作进一步说明，本实施方式中，高速模拟开关的型号为MAX327。
Claims (7)
1.基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，所述变形镜由镜面和多个致动器组成，多个致动器设置在镜面下方，用于接收电压信号，并将该电压信号转化为应变，从而形成驱动力施加在镜面上，进而改变镜面的面形，其特征在于，它包括微控制器(1)和多个电荷驱动模块(2)，
微控制器(1)，用于根据接收到的指令控制相应的电荷驱动模块(2)完成两种动作：为电容充电的开关动作和为电容放电的开关动作，
每个电荷驱动模块(2)，用于接收为电容充电的开关动作指令，从多个不同电压值的电压源中选取正电压源或负电压源为电容充电，当所有的电容完成充电后，接收为电容放电的开关动作指令，控制某个电容放电给相应的致动器，从而使该致动器产生电荷量，该电荷量形成驱动力，使致动器产生一定的位移，从而改变镜面的面形。
2.根据权利要求1所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，每个电荷驱动模块(2)中的电容为一个或者多个，多个电容之间的容值相差5～10倍。
3.根据权利要求1所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，多个电荷驱动模块(2)的结构相同或不同。
4.根据权利要求3所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，
电荷驱动模块(2)包括高速模拟开关、运算放大器、电容C1i-C2i、正电压源+E和负电压源-E，
高速模拟开关包括5个与门和5个开关，5个开关分别为开关S1-S5，
5个与门的输入端分别连接微控制器(1)的5个控制信号输出端，每个与门的输出端连接一个开关的控制端，开关S1的一端连接正电压源+E的正极，正电压源+E的负极、电容C1i的一端、负电压源-E的负极和电容C2i的一端均连接电源地，电容C1i的另一端同时连接开关S2的一端和开关S3的一端，负电压源-E的正极连接开关S4的一端，电容C2i的另一端连接开关S5的一端，开关S1的另一端同时连接开关S3的另一端、开关S4的另一端和开关S5的另一端，开关S5的另一端和开关S2的另一端均连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端均连接致动器的电源信号输出端。
5.根据权利要求3所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，电荷驱动模块(2)包括高速模拟开关、运算放大器、电容Ci、正电压源+E和负电压源-E，
高速模拟开关包括4个与门和4个开关，4个开关分别为开关S1-S4，
4个与门的输入端分别连接微控制器(1)的4个控制信号输出端，每个与门的输出端连接一个开关的控制端，开关S1的一端连接正电压源+E的正极，正电压源+E的负极、电容Ci的一端和负电压源-E的负极均连接电源地，电容Ci的另一端同时连接开关S2的一端和开关S3的一端，负电压源-E的正极连接开关S4的一端，开关S1的另一端同时连接开关S3的另一端和开关S4的另一端，开关S2的另一端和开关S4的另一端均连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端均连接致动器的电源信号输出端。
6.根据权利要求1所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，上位机通过RS232串口或USB将指令传输给微控制器(1)。
7.根据权利要求4或5所述基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源，其特征在于，高速模拟开关的型号为MAX327。
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