專利名稱：壓電和\或壓電類復(fù)合材料的控制及驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的壓電和\或壓電類復(fù)合材料的控制及驅(qū)動(dòng)裝置，屬壓電和\或壓電類復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器和控制器。
背景技術(shù)：
壓電變壓器最早是由C.A.Rosen在1956年提出來(lái)的，現(xiàn)在主要被應(yīng)用于筆記本電腦LCD平面顯示器的背光燈源驅(qū)動(dòng)以及采用冷陰極熒光燈管或霓虹燈管啟動(dòng)光源等領(lǐng)域。過(guò)去由于它的轉(zhuǎn)換功率比較低，只有5～10W左右，功率密度只有5W/cm3，限制了它的廣泛應(yīng)用。進(jìn)入90年代以來(lái)，日本對(duì)壓電變壓器進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)，其中NEC公司在這方面處于領(lǐng)先地位，他們申請(qǐng)了多達(dá)65項(xiàng)專利，國(guó)際上的一些大公司，如MOTOROLA，PHILIPS等也對(duì)壓電變壓器進(jìn)行了大量的研究，美國(guó)維吉尼亞州的一家電子公司Face Electronics成功的研制出了大功率壓電變壓器，最大功率達(dá)到110W，功率密度達(dá)到40W/cm3。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在70年代末和80年代初開(kāi)始研究壓電變壓器材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能和壓電變壓器的輸入輸出特性，并申請(qǐng)了專利，目前中國(guó)科技大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)等都開(kāi)展了這方面的研究，并取得了許多成果。目前尚未查閱到將壓電變壓器用于壓電類材料的驅(qū)動(dòng)裝置。
壓電類材料的驅(qū)動(dòng)裝置(又稱功率放大器)目前主要采用傳統(tǒng)的線性功率放大器進(jìn)行電壓的放大，國(guó)內(nèi)外的很多公司可以提供這樣的成熟的產(chǎn)品，比如丹麥的B&K公司，但普遍都體積較大、效率低，不利于壓電類材料與其控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成。
因壓電和\或壓電類復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)振動(dòng)和/或噪聲的主動(dòng)控制或結(jié)構(gòu)的形狀控制等領(lǐng)域中被大量的選為執(zhí)行器，它的驅(qū)動(dòng)電壓很高，特別是一些壓電復(fù)合材料，其驅(qū)動(dòng)電壓有的高達(dá)1500伏特，選用傳統(tǒng)的線性功率放大器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積過(guò)于厐大，而且電源轉(zhuǎn)換效率較低(50％左右)，阻礙了振動(dòng)和/或噪聲的主動(dòng)控制或形狀控制等在實(shí)際中的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，提供一種體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高和驅(qū)動(dòng)電壓高的能滿足對(duì)壓電和\或壓電類復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)要求的驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓電類材料控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化、模塊化和集成化。
本發(fā)明的壓電和\或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器的控制及驅(qū)動(dòng)裝置，包括直流電源分別連于直流一交流逆變電路和控制器輸入端，直流-交流逆變電路輸出端連于壓電變壓器輸入端，其輸出端經(jīng)橋式整流電路連于開(kāi)關(guān)二極管的漏極，其源極連于另一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管的漏極，其源極接“地”。傳感器的輸出端連接于控制器，控制器的輸出端與PWM波調(diào)理電路的輸入端相連，其輸出端分別連于兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管的柵極，兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管的串聯(lián)接點(diǎn)連于電感的輸入端，其輸出端連于其負(fù)端與“地”相連的壓電執(zhí)行器正端，兩個(gè)串聯(lián)二極管反向并聯(lián)在兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)二極管的串聯(lián)電路兩端，兩個(gè)串聯(lián)二極管的串聯(lián)接點(diǎn)接于電感輸入端。
相對(duì)于傳統(tǒng)的線性功率放大器，壓電變壓器的體積小從而使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積非常小，該項(xiàng)發(fā)明的有益效果是顯著地減小了壓電類執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、減輕了重量、提高了能量轉(zhuǎn)換效率。在選用壓電類執(zhí)行器作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)和/或噪聲的主動(dòng)控制或形狀控制或其它應(yīng)用中，可以將壓電類執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟控制系統(tǒng)有效的集成，廣泛地應(yīng)用到車輛、飛行器等結(jié)構(gòu)振動(dòng)與/或噪聲的控制或其它的應(yīng)用中。


圖1是壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器的控制及驅(qū)動(dòng)裝置示意圖。
圖1中各編號(hào)的含義為1.直流-交流逆變電路；2.直流電源；3.控制器；4.壓電變壓器；5.PWM波調(diào)理電路；6.壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器；7.傳感器。
圖2～圖6為本發(fā)明的實(shí)施例圖。其中圖2為基于壓電變壓器升壓的DC/DC電路原理圖；圖3為控制器輸出的PWM脈寬調(diào)制控制信號(hào)的調(diào)制及放大電路，該信號(hào)用于控制后續(xù)的開(kāi)關(guān)二極管；圖4為驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)序圖；圖5為驅(qū)動(dòng)裝置幾種工作狀態(tài)；圖6為T(mén)MS320F2812DSP控制系統(tǒng)。
圖6中各編號(hào)的含義為1.輸入的傳感信號(hào)；2.抗混疊濾波器；3.A/D模塊；4.存儲(chǔ)器；5.通信接口和人機(jī)接口；6.數(shù)字I/O；7.PWM模塊；8.PWM脈寬調(diào)制波具體實(shí)施方式
本發(fā)明的技術(shù)方案如圖1所示，圖中的D1～D4為四個(gè)用作橋式整流的二極管，S1和S2是兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管，D5和D6是兩個(gè)二極管，L是一個(gè)電感。選用直流作為整個(gè)系統(tǒng)的供電電源2，通過(guò)直流-交流逆變電路1轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘娮儔浩?所需要輸入的高頻低壓信號(hào)(比如55±1KHz)，壓電變壓器4升壓后轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l高壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)橋式整流電路轉(zhuǎn)變成為高壓直流信號(hào)，提供給后續(xù)的PWM脈寬調(diào)制電路?？刂破?可以是微控制器系統(tǒng)、嵌入式控制器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)或DSP處理器系統(tǒng)，根據(jù)傳感器7輸入的信號(hào)，根據(jù)一定的控制算法計(jì)算輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)PWM波調(diào)理電路5，使PWM電路輸出所需要的高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電和\或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器6。由于壓電變壓器4的升壓比例很大(100倍以上)而且可調(diào)，它可以根據(jù)輸入信號(hào)的頻率很容易調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)，所以理論上當(dāng)輸入信號(hào)為幅值10V的高頻信號(hào)時(shí)，輸出的直流電壓在10V～1000V之間，完全可以滿足壓電和\或壓電類復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)要求。
實(shí)施例圖2～圖6是本發(fā)明的實(shí)施例示意圖，根據(jù)圖2～圖6敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和工作原理。
圖2是直流電源的DC/DC電路原理圖。
為了得到所需要的驅(qū)動(dòng)電壓(200~500V)，需要給驅(qū)動(dòng)裝置一個(gè)DC/DC電路作為供電電源。在這個(gè)DC/DC電路中我們選用了西安康鴻信息技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的MTP3006A45壓電陶瓷升壓器PT(Piezoelectric Transformer)作為電壓升壓器件。
在圖2中，MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1、Q2，電容C1，電感L1、L2組成了壓電變壓器PT的驅(qū)動(dòng)電路。在圖4中，VGS1、VGS2為開(kāi)關(guān)管Q1、Q2柵源極電壓，VDS(Q2)為開(kāi)關(guān)管Q2上的漏源極電壓，VL1為電感L1上的電壓，VPTIN為壓電變壓器PT的輸入電壓。
圖2的工作原理是開(kāi)關(guān)管Q1、Q2交替接通，其間有一段死區(qū)時(shí)間(即全關(guān)狀態(tài))。在這段死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感L1上的感應(yīng)電流對(duì)電容C1和壓電變壓器PT的輸入電容充放電。電感L1上的電壓取決于開(kāi)關(guān)管的占空比。這個(gè)電壓是一個(gè)準(zhǔn)方波電壓波形，通過(guò)低通濾器后就能得到近似的正弦電壓信號(hào)。在本電路中，低通濾波器是由電感L2和壓電變壓器PT的輸入電容組成的。這樣壓電變壓器PT的輸入電壓就可通過(guò)脈寬調(diào)制PWM的占空比來(lái)控制。也就是說(shuō)壓電變壓器PT的輸出電壓由系統(tǒng)輸入的直流電壓幅值、MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率及占空比來(lái)決定。所以，可以用脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制壓電變壓器PT的輸出電壓。
電感L3、全橋整流器D1(由四個(gè)二極管組成)、電容C2組成整流濾波電路。整流為全橋方式。假設(shè)系統(tǒng)輸出端LOAD+和LOAD-之間接負(fù)載RL，則整流濾波電路輸入等效電阻為REQ＝8×RL/π^2。
為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，我們?cè)谪?fù)載接入端引出電壓信號(hào)作為負(fù)反饋信號(hào)。電阻R1、R2構(gòu)成分壓電路，電阻R3為限流電阻。光電隔離器U3。這樣，輸出端的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓、光電轉(zhuǎn)化后輸入U(xiǎn)1的脈寬調(diào)制PWM芯片SG3525的1引腳。電阻R4、R5(電位器)為2引腳提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)確定了脈寬波的占空比，也就確定了壓電變壓器PT的輸出電壓，這個(gè)電壓便是我們需要得到的穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，反饋信號(hào)在此基礎(chǔ)上調(diào)整脈寬波的占空比，進(jìn)而改變壓電變壓器PT的激勵(lì)信號(hào)電壓的幅值，從而改變系統(tǒng)輸出電壓使其穩(wěn)定在額定值。
PWM芯片SG3525的11、14引腳輸出PWM波，但它不能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1、Q2，為此在隔離驅(qū)動(dòng)芯片U2種選用了IR2110作為MOSFET管的隔離驅(qū)動(dòng)芯片，IR2110的母線工作電壓最高為500V，滿足我們的設(shè)計(jì)需要。(IR2101也完全滿足設(shè)計(jì)要求，可作為IR2110的替代芯片，但電路要稍做改動(dòng))我們知道壓電變壓器PT的工作頻帶很窄，只有在其共振頻率上才能有效工作。我們選用的MTP3006A45的共振頻率為54±1KHz，這樣我們希望開(kāi)關(guān)管Q1、Q2能工作在54KHz左右。要設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率只有調(diào)整PWM芯片SG3525的工作頻率，芯片SG3525的5、6、7引腳所接電阻RT、電容CT確定了芯片SG3525的開(kāi)關(guān)頻率(f＝1/(0.67×RT×CT))。這樣我們只要選好電阻RT、電容CT的參數(shù)就可以得到頻率穩(wěn)定的正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電變壓器PT。
圖3為控制信號(hào)調(diào)理電路；該電路是一個(gè)DC/AC逆變電路，輸入端VA+、VA-分別接圖2的輸出端LOAD+、LOAD-，這樣輸入端VA+、VA-之間的電壓為圖2中通過(guò)壓電變壓PT升壓后得到的500V高壓直流。接口JP1與F2812DSP控制器輸出的PWM控制信號(hào)相連接，DSP輸出的控制信號(hào)電壓比較低(0～3V)，在這里我們采用D類功率放大的形式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。DSP產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后進(jìn)入隔離驅(qū)動(dòng)芯片U1，用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1、Q2(由于圖2和圖3中器件編號(hào)有重復(fù)，如無(wú)特殊說(shuō)明以下器件編號(hào)皆為圖3中元器件的編號(hào)，與圖2中的編號(hào)無(wú)關(guān))。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、二極管D1、D2構(gòu)成DC/AC逆變結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2交替接通形成4種工作狀態(tài)。如圖5所(1)當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1接通且開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷時(shí)(如圖5(a))，對(duì)壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器充電，電流IL(t)流過(guò)由電容C2(指圖2中的慮波電容C2)、開(kāi)關(guān)管Q1、L1、壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器的等效電容Gact組成的回路，同時(shí)一部分能量?jī)?chǔ)藏在電感L1上。
(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2都關(guān)斷(如圖5(b))，電流IL(t)繼續(xù)流過(guò)由電感L1、等效電容Cact、二極管D2構(gòu)成的回路。這些能量就是前一階段存儲(chǔ)在電感L1上的電能，很明顯，提高了驅(qū)動(dòng)效率。
(3)當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷且開(kāi)關(guān)管Q2接通時(shí)(如圖5(c))，壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器PA放電。放電電流IL(t)流過(guò)由執(zhí)行器PA、電感L1、開(kāi)關(guān)管Q2形成的回路。這樣存儲(chǔ)在壓電片上的能量轉(zhuǎn)化成電感L1上的能量和電流IL(t)。
(4)當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2都關(guān)斷(如圖5(d))，由C2(指圖2中的慮波電容C2)、二極管D1、電感L1、等效電容Cact構(gòu)成回路，前一階段的能量又回到濾波電容C2中。這樣能量在供電電源與壓電片間相互轉(zhuǎn)化，除去執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)對(duì)象所消耗的能量外，理想情況下驅(qū)動(dòng)能量的利用率100％。
實(shí)際上，DC/AC逆變就是將直流變成交流。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的交替接通使得開(kāi)關(guān)管Q1的S極和開(kāi)關(guān)管Q2的D極相連接點(diǎn)得到一個(gè)幅值為500V的PWM波，很顯然這個(gè)PWM波和DSP輸出的PWM控制信號(hào)的波形和占空比是一樣的，不同的只是電壓幅值。這樣便完成了控制信號(hào)的放大。放大后的PWM波經(jīng)過(guò)低通濾波后得到模擬的交流電壓驅(qū)動(dòng)壓電片工作。要說(shuō)明的是這個(gè)低通濾波器是由電感L1和壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器PA的等效電容Cact構(gòu)成的。
圖6為T(mén)MS320F2812DSP控制系統(tǒng)；該實(shí)施例選用了TMS320F2812DSP控制系統(tǒng)，傳感器信號(hào)1通過(guò)抗混疊濾波器2輸入到TMS320F2812控制器的A/D模塊3，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器4中，通過(guò)通信接口和人機(jī)接口5和數(shù)字I/O6與外部的其它設(shè)備進(jìn)行通信。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的控制算法計(jì)算后通過(guò)DSP內(nèi)部的PWM模塊7輸出PWM脈寬調(diào)制波8，作為圖3中JP1的輸入控制信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器的控制及驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于直流電源(2)分別連于直流—交流逆變電路(1)和控制器(3)的輸入端，直流—交流逆變電路(1)輸出端連于壓電變壓器(4)輸入端，其輸出端經(jīng)橋式整流電路連于開(kāi)關(guān)二極管(S1)的漏極，其源極連于另一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管(S2)的漏極，其源極接“地”。傳感器(7)的輸出端連接于控制器(3)，控制器(3)的輸出端與PWM波調(diào)理電路(5)的輸入端相連，其輸出端分別連于兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管(S1)與(S2)的柵極，兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管(S1)和(S2)的串聯(lián)接點(diǎn)連于電感(L)的輸入端，其輸出端連于其負(fù)端與“地”相連的壓電執(zhí)行器(6)正端，兩個(gè)串聯(lián)二極管(D5)(D6)反向并聯(lián)在兩個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)二極管(S1)和(S2)的串聯(lián)電路兩端，兩個(gè)串聯(lián)二極管的串聯(lián)接點(diǎn)接于電感(L)輸入端。
全文摘要
一種壓電和/或壓電類復(fù)合材料執(zhí)行器的控制及驅(qū)動(dòng)裝置，屬壓電類復(fù)合材料控制器和驅(qū)動(dòng)器，包括直流—交流逆變電路(1)、直流電源(2)、控制器(3)、壓電變壓器(4)、脈寬調(diào)制控制器(5)、壓電執(zhí)行器(6)、傳感器(7)、橋式整流電路以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管(S1)與(S2)、二極管(D5)(D6)和電感(L)所組成。驅(qū)動(dòng)器體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)電壓高，與控制器相結(jié)合，能滿足壓電及壓電類復(fù)合材料的控制和驅(qū)動(dòng)要求?？蓮V泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與/或噪聲以及結(jié)構(gòu)的形狀控制等方面。
文檔編號(hào)H02M3/24GK1710794SQ200510041198
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者徐志偉, 黃雪峰, 相暉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)