CN1773742A - 压电陶瓷驱动电源 - Google Patents
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Abstract
一种压电陶瓷驱动电源，其特征在于它由计算机接口电路、单片机、数模转换器、手动旋钮、转换开关、电压误差放大器、高压放大器、电流调节器、输出级和电流传感器组成。本发明电源调节方便，控制灵活，温漂小，稳定性好，并可以控制充电电流，改善了压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变特性。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷驱动器，特别是一种压电陶瓷驱动电源，可以实现对压电陶瓷驱动器位移的调整和精确定位。
背景技术
压电陶瓷驱动器(PZT)是一种机电耦合元件，因其体积小(几立方毫米～几十立方毫米)、位移分辨率高(纳米级)、响应速度快(几十微秒)、输出力大、换能效率高等优点，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件，广泛应用在光学精密工程、微机电系统、纳米制造技术、微电子技术、纳米生物工程等领域中。压电陶瓷的使用性能直接取决于压电陶瓷驱动电源的静态及动态特性，因此需要频率响应高，温漂小，稳定性好的压电陶瓷驱动电源。目前所使用压电陶瓷驱动电源多数是电压源，电流是完全不受控制的，驱动电压有时会瞬时产生不可控制的脉冲电流，从而产生不可控制的驱动器加速度，在压电陶瓷内部产生很大的张应力，使压电陶瓷受到损坏；并且压电陶瓷的迟滞、蠕变特性也不尽人意。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种压电陶瓷驱动电源，要求该电源调节方便，控制灵活，温漂小，稳定性好，并可以控制充电电流，改善压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种压电陶瓷驱动电源，其特征在于它由计算机接口电路、单片机、数模转换器、手动旋钮、转换开关、电压误差放大器、高压放大器、电流调节器、输出级和电流传感器组成，其连接关系如下：所述的计算机接口电路的输出端接所述的单片机的输入端，该单片机的输出端接所述的数模转换器的受控端，该数模转换器的输出端与所述的手动旋钮的输出端同时接所述的转换开关，该转换开关与输出级的输出端分别接所述的电压误差放大器的两个输入端，该电压误差放大器的输出端接所述的高压放大器的输入端，该高压放大器的输出端与所述的电流调节器的输出端同时接输出级的输入端，该输出级的输出端接所述的压电陶瓷驱动器的正极，该压电陶瓷驱动器的负极接所述的电流传感器和所述的电流调节器的输入端的节点，该电流传感器的另一端接地。
所述的电压误差放大器由第6电阻、第7电阻、第14电阻、第15电阻，集成运算放大器组成；第6电阻的一端接上一级的输入信号Vin，该第6电阻的另一端接集成运算放大器的反相输入端，第7电阻的一端接集成运算放大器的同相输入端，第7电阻的另一端接第14电阻和第15电阻的节点，第14电阻的另一端接压电陶瓷驱动器的正极，第15电阻的另一端接地。
所述的高压放大器由信号放大电路和恒流源负载电路组成：
所述的信号放大电路由晶体三极管、第8电阻、第9电阻、第10电阻、第2稳压二极管、第3稳压二极管、第2MOS管和第2电容组成，所述的晶体三极管的基极接集成运算放大器的输出端，该晶体三极管的集电极接地，而晶体三极管的发射极接第8电阻和第9电阻的节点，该第8电阻的另一端接低压直流电源，第9电阻的另一端接第2MOS管的栅极和第3稳压二极管的阴极，第3稳压二极管的阳极接低压直流电源，第2MOS管的源级与低压直流电源之间跨接第10电阻和第2电容，第2MOS管的漏极接第2稳压二极管的阳极；
所述的恒流源负载电路由第1电阻、第2电阻、第3电阻、可变电阻、第1稳压二极管、电解电容和第1MOS管组成：第1MOS管的漏极接所述的第2稳压二极管的阴极，第1MOS管的源级与高压直流电源之间跨接第3电阻，第1MOS管的栅极接第2电阻，该第2电阻的另一端接可变电阻的滑动端和电解电容的负极，该可变电阻的一端接电解电容的正极、第1稳压二极管的阴极和高压直流电源(Hv)的节点，可变电阻的另一端接第1稳压二极管的阳极和第1电阻的节点，该第1电阻的另一端接地。
所述的电流传感器是用电阻(Rs)来实现电流与电压信号的转换的。
所述的电流调节器用光耦二极管构成的，用来控制充电电流大小；电阻(Rs)一端接压电陶瓷驱动器的负极端和光耦二极管的阳极，所述的电阻(Rs)的另一端接地和光耦二极管的阴极，光耦二极管的集电极接第2稳压二极管的阴极，光耦二极管的发射极接压电陶瓷驱动器的正极，
所述的输出级由第4电阻、第5电阻、第11电阻、第12电阻、第13电阻、第1二极管、第3二极管、第2肖特基二极管、第4肖特基二极管、第3MOS管和第4MOS管组成：第5电阻的一端接第2MOS管的漏极和第2稳压二极管的节点，该第5电阻的另一端接第4MOS管的栅极，第4MOS管的漏极接第4肖特基二极管的阳极和低压直流电源，第4MOS管的源极接第3二极管的阴极，第3二极管的阳极接第4肖特基二极管的阴极和第12电阻的节点，第12电阻的另一端接第11电阻和第13电阻的节点，该第13电阻的另一端接所述的压电陶瓷驱动器的正极，第4电阻的一端接第2稳压二极管的阴极，该第4电阻的另一端接第3MOS管的栅极，第3MOS管的源极接第2肖特基二极管的阳极和第11电阻，第3MOS管的漏极接第1二极管的阴极，第1二极管的阳极接第2肖特基二极管的阴极和高压直流电源。
上述的压电陶瓷驱动电源中，所述的压电陶瓷驱动器的位移量由一位移传感器测量，该位移传感器的输出端接单片机，与压电陶瓷驱动电源构成闭环反馈控制系统。
本发明中，引入电流调节器8的作用是控制电流大小，并可改善压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变特性。同时，本发明可以通过计算机控制输出驱动电压，并可以通过软件编程以数字方式产生诸如三角波、方波、正弦等驱动信号；也可以通过切换转换开关，使用手动旋钮进行手动调节输出驱动电压，以满足特殊需要；具有调节方便，控制灵活的特点。
附图说明：
图1为本发明压电陶瓷驱动电源实施例1的结构框图
图2为本发明实施例1的电路结构示意图
图3为本发明实施例2的结构框图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
先请参阅图1，是本实施例1的结构框图。由图可见，本发明压电陶瓷驱动电源，是由计算机接口电路1、单片机2、数模转换器3、手动旋钮4、转换开关5、电压误差放大器6、高压放大器7、电流调节器8、输出级9和电流传感器10组成，其连接关系如下：所述的计算机接口电路1的输出端接所述的单片机2的输入端，该单片机2的输出端接所述的数模转换器3的受控端，该数模转换器3的输出端与所述的手动旋钮4的输出端同时接所述的转换开关5，该转换开关5与输出级9的输出端分别接所述的电压误差放大器6的两个输入端，该电压误差放大器6的输出端接所述的高压放大器7的输入端，该高压放大器7的输出端与所述的电流调节器8的输出端同时接输出级9的输入端，该输出级9的输出端接所述的压电陶瓷驱动器11的正极，该压电陶瓷驱动器11的负极接所述的电流传感器10和所述的电流调节器8的输入端的节点，该电流传感器10的另一端接地。
本发明更详细具体电路结构如图2所示。
所述的电压误差放大器6由第6电阻R6、第7电阻R7、第14电阻R14、第15电阻R15，集成运算放大器U1组成；第6电阻R6的一端接上一级的输入信号Vin，该第6电阻R6的另一端接集成运算放大器U1的反相输入端，第7电阻R7的一端接集成运算放大器U1的同相输入端，第7电阻R7的另一端接第14电阻R14和第15电阻R15的节点，第14电阻R14的另一端接压电陶瓷驱动器11的正极，第15电阻R15的另一端接地。
所述的高压放大器7由信号放大电路7-1和恒流源负载电路7-2组成：
所述的信号放大电路7-1由晶体三极管T1、第8电阻R8、第9电阻R9、第10电阻R10、第2稳压二极管Z2、第3稳压二极管Z3、第2MOS管M2和第2电容C2组成，所述的晶体三极管T1的基极接集成运算放大器U1的输出端，该晶体三极管T1的集电极接地，而晶体三极管T1的发射极接第8电阻R8和第9电阻R9的节点，该第8电阻R8的另一端接低压直流电源Lv，第9电阻R9的另一端接第2MOS管M2的栅极和第3稳压二极管Z3的阴极，第3稳压二极管Z3的阳极接低压直流电源Lv，第2MOS管M2的源级与低压直流电源Lv之间跨接第10电阻R10和第2电容C2，第2MOS管M2的漏极接第2稳压二极管Z2的阳极；
所述的恒流源负载电路7-2由第1电阻R1、第2电阻R2、第3电阻R3、可变电阻VR、第1稳压二极管Z1、电解电容C1和第1MOS管M1组成：第1MOS管M1的漏极接所述的第2稳压二极管Z2的阴极，第1MOS管M1的源级与高压直流电源Hv之间跨接第3电阻R3，第1MOS管M1的栅极接第2电阻R2，该第2电阻R2的另一端接可变电阻VR的滑动端和电解电容C1的负极，可变电阻VR的一端接电解电容C1的正极、第1稳压二极管Z1的阴极和高压直流电源Hv的节点，可变电阻VR的另一端接第1稳压二极管Z1的阳极和第1电阻R1的节点，该第1电阻R1的另一端接地。
所述的电流传感器10是用意电阻Rs来实现电流与电压信号的转换的。
所述的电流调节器8用光耦二极管U2构成，来控制充电电流大小；电阻Rs的一端接压电陶瓷驱动器11的负极端和光耦二极管U2的阳极，所述的电阻Rs的另一端接地和光耦二极管U2的阴极，光耦二极管U2的集电极接第2稳压二极管Z2的阴极，光耦二极管U2的发射极接压电陶瓷驱动器11的正极，
所述的输出级9由第4电阻R4、第5电阻R5、第11电阻R11、第12电阻R12、第13电阻R13、第1二极管D1、第3二极管D3、第2肖特基二极管D2、第4肖特基二极管D4、第3MOS管M3、第4MOS管M4组成：第5电阻R5的一端接第2MOS管M2的漏极和第2稳压二极管Z2的节点，该第5电阻R5的另一端接第4MOS管M4的栅极，第4MOS管M4的漏极接第4肖特基二极管D4的阳极和低压直流电源Lv，第4MOS管M4的源极接第3二极管D3的阴极，第3二极管D3的阳极接第4肖特基二极管D4的阴极和第12电阻R12的节点，第12电阻R12的另一端接第11电阻R11和第13电阻R13的节点，该第13电阻R13的另一端接所述的压电陶瓷驱动器11的正极，第4电阻R4的一端接第2稳压二极管Z2的阴极，该第4电阻R4的另一端接第3MOS管M3的栅极，第3MOS管M3的源极接第2肖特基二极管D2的阳极和第11电阻R11，第3MOS管M3的漏极接第1二极管D1的阴极，第1二极管D1的阳极接第2肖特基二极管D2的阴极和高压直流电源Hv。
经实验证明，本发明压电陶瓷驱动电源，不仅可以向压电陶瓷驱动器提供稳定的驱动电压，而且可以控制充电电流，改善了压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变特性。具有稳定性好，温漂小，调节方便，控制灵活的特点。
实施例2：
实施例2与实施例1的不同点是：针对压电陶瓷驱动器11，压电陶瓷驱动器11的位移量由位移传感器12测量，该位移传感器12的输出端接所述的单片机2。本压电陶瓷驱动器的闭环反馈控制系统，可以达到纳米级精确定位。经实验证明，定位精度可达5nm。
Claims (7)
1.一种压电陶瓷驱动电源，其特征在于它由计算机接口电路(1)、单片机(2)、数模转换器(3)、手动旋钮(4)、转换开关(5)、电压误差放大器(6)、高压放大器(7)、电流调节器(8)、输出级(9)和电流传感器(10)组成，其连接关系如下：所述的计算机接口电路(1)的输出端接所述的单片机(2)的输入端，该单片机(2)的输出端接所述的数模转换器(3)的受控端，该数模转换器(3)的输出端与所述的手动旋钮(4)的输出端同时接所述的转换开关(5)，该转换开关(5)与输出级(9)的输出端分别接所述的电压误差放大器(6)的两个输入端，该电压误差放大器(6)的输出端接所述的高压放大器(7)的输入端，该高压放大器(7)的输出端与所述的电流调节器(8)的输出端同时接输出级(9)的输入端，该输出级(9)的输出端接所述的压电陶瓷驱动器(11)的正极，该压电陶瓷驱动器(11)的负极接所述的电流传感器(10)和所述的电流调节器(8)的输入端的节点，该电流传感器(10)的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的电压误差放大器(6)由第6电阻(R6)、第7电阻(R7)、第14电阻(R14)、第15电阻(R15)，集成运算放大器U1组成；第6电阻(R6)的一端接上一级的输入信号Vin，该第6电阻(R6)的另一端接集成运算放大器(U1)的反相输入端，第7电阻(R7)的一端接集成运算放大器(U1)的同相输入端，第7电阻(R7)的另一端接第14电阻(R14)和第15电阻(R15)的节点，第14电阻(R14)的另一端接压电陶瓷驱动器(11)的正极，第15电阻(R15)的另一端接地。
3、根据权利要求1所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的高压放大器(7)由信号放大电路(7-1)和恒流源负载电路(7-2)组成：
所述的信号放大电路(7-1)由晶体三极管(T1)、第8电阻(R8)、第9电阻(R9)、第10电阻(R10)、第2稳压二极管(Z2)、第3稳压二极管(Z3)、第2MOS管(M2)和第2电容(C2)组成，所述的晶体三极管(T1)的基极接集成运算放大器(U1)的输出端，该晶体三极管(T1)的集电极接地，而晶体三极管(T1)的发射极接第8电阻(R8)和第9电阻(R9)的节点，该第8电阻(R8)的另一端接低压直流电源(Lv)，第9电阻(R9)的另一端接第2MOS管(M2)的栅极和第3稳压二极管(Z3)的阴极，第3稳压二极管(Z3)的阳极接低压直流电源(Lv)，第2MOS管(M2)的源级与低压直流电源(Lv)之间跨接第10电阻(R10)和第2电容(C2)，第2MOS管(M2)的漏极接第2稳压二极管(Z2)的阳极；
所述的恒流源负载电路(7-2)由第1电阻(R1)、第2电阻(R2)、第3电阻(R3)、可变电阻(VR)、第1稳压二极管(Z1)、电解电容(C1)和第1MOS管(M1)组成：第1MOS管(M1)的漏极接所述的第2稳压二极管(Z2)的阴极，第1MOS管(M1)的源级与高压直流电源(Hv)之间跨接第3电阻(R3)，第1MOS管(M1)的栅极接第2电阻(R2)，该第2电阻(R2)的另一端接可变电阻(VR)的滑动端和电解电容(C1)的负极，可变电阻(VR)的一端接电解电容(C1)的正极、第1稳压二极管(Z1)的阴极和高压直流电源(Hv)的节点，可变电阻(VR)的另一端接第1稳压二极管(Z1)的阳极和第1电阻(R1)的节点，该第1电阻(R1)的另一端接地。
4、根据权利要求1所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的电流传感器(10)是用电阻(Rs)来实现电流与电压信号的转换的。
5、根据权利要求1所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的电流调节器(8)用光耦二极管(U2)构成，来控制充电电流大小；电阻(Rs)一端接压电陶瓷驱动器(11)的负极端和光耦二极管(U2)的阳极，所述的电阻(Rs)的另一端接地和光耦二极管(U2)的阴极，光耦二极管(U2)的集电极接第2稳压二极管(Z2)的阴极，光耦二极管(U2)的发射极接压电陶瓷驱动器(11)的正极，
6、根据权利要求1所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的输出级(9)由第4电阻(R4)、第5电阻(R5)、第11电阻(R11)、第12电阻(R12)、第13电阻(R13)、第1二极管(D1)、第3二极管(D3)、第2肖特基二极管(D2)、第4肖特基二极管(D4)，第3MOS管(M3)、第4MOS管(M4)组成：第5电阻(R5)的一端接第2MOS管(M2)的漏极和第2稳压二极管(Z2)的节点，该第5电阻(R5)的另一端接第4MOS管(M4)的栅极，第4MOS管(M4)的漏极接第4肖特基二极管(D4)的阳极和低压直流电源(Lv)，第4MOS管(M4)的源极接第3二极管(D3)的阴极，第3二极管(D3)的阳极接第4肖特基二极管(D4)的阴极和第12电阻(R12)的节点，第12电阻(R12)的另一端接第11电阻(R11)和第13电阻(R13)的节点，该第13电阻(R13)的另一端接所述的压电陶瓷驱动器(11)的正极，第4电阻(R4)的一端接第2稳压二极管(Z2)的阴极，该第4电阻(R4)的另一端接第3MOS管(M3)的栅极，第3MOS管(M3)的源极接第2肖特基二极管(D2)的阳极和第11电阻(R11)，第3MOS管(M3)的漏极接第1二极管(D1)的阴极，第1二极管(D1)的阳极接第2肖特基二极管(D2)的阴极和高压直流电源(Hv)。
7、根据权利要求1至6所述的的压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的压电陶瓷驱动器(11)的位移量由一位移传感器(12)测量，该位移传感器(12)的输出端接单片机(2)，与压电陶瓷驱动电源构成闭环反馈控制系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |