一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，控制模塊信號輸出端接功率放大器的正向端，功率放大器的信號輸出端接壓電陶瓷，壓電陶瓷接有精密電容，其特征在于:精密電容的一端和壓電陶瓷的一端與分別連接誤差積分運算放大器的輸入端，誤差積分運算放大器的輸出端接功率放大器的負向端。
【專利說明】一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷發(fā)展，人們研究的操作對象深入到微觀領(lǐng)域。壓電陶瓷具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲、不發(fā)熱等特點，是一種理想的微驅(qū)動元件。壓電陶瓷驅(qū)動器應(yīng)用到很多微觀領(lǐng)域，比如聚合物、生物細胞的各種操作，微型機電系統(tǒng)的制造與檢測，超精密機械加工，大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)，微外科手術(shù)，掃描探針顯微鏡(SPM)系統(tǒng),光纖對接，半導(dǎo)體制版的精密定位等。壓電陶瓷的高動態(tài)性能，在很大程度上依賴于驅(qū)動電源的性能，例如壓電陶瓷驅(qū)動電源的響應(yīng)速度、輸出有效帶寬、穩(wěn)定性、帶負載能力等。目前，壓電陶瓷驅(qū)動電源應(yīng)用較多的是電壓型的控制方式。電壓控制方式的壓電陶瓷驅(qū)動電源靜態(tài)或者低頻特性較好，在靜態(tài)或低頻環(huán)境下的應(yīng)用較多，但其有效帶寬很窄，只有幾千赫茲左右，在高動態(tài)應(yīng)用場合下無法滿足要求。傳統(tǒng)的電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源雖然在一定程度上能夠滿足要求，但存在嚴重的漏電流，壓電陶瓷負載始終處于浮地狀態(tài)，不僅對典型接地型負載的應(yīng)用造成了很大困難，而且也限制了驅(qū)動電源的動態(tài)特性。因此，針對壓電陶瓷驅(qū)動電源的高動態(tài)應(yīng)用場合，解決電荷控制型驅(qū)動電源的漏電流影響和提高其有效帶寬是亟待解決的技術(shù)問題。
[0003]沈陽新松機器人自動化股份有限公司發(fā)明的壓電陶瓷驅(qū)動電源，采用高壓集成運算放大器進行電壓和功率放大，相對于采用分離元件來說，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，降低了系統(tǒng)性能的離散型和不確定性。中國科學院上海光學精密機械研究所發(fā)明的壓電陶瓷驅(qū)動電源，電源調(diào)節(jié)方便，控制靈活，溫漂小，穩(wěn)定性好，并可以控制充電電流，改善了壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性。廣西大學的數(shù)控電位器調(diào)節(jié)的壓電陶瓷驅(qū)動電源，可實現(xiàn)對電壓精密控制，輸出電壓穩(wěn)定，分辨率可自由擴展，靜態(tài)功耗小等特點。前述各技術(shù)方案都存在以漏電流大、動態(tài)特性差、.輸出帶寬低等問題。
[0004]基于以上各解決方案所存在的缺陷和不足，本團隊提供一種輸出電壓穩(wěn)定、有效頻帶寬、能滿足高動態(tài)應(yīng)用場合的電荷控制型壓電陶瓷驅(qū)動電源。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，能夠有效降低漏電電流，提高壓電陶瓷的定位精度，且輸出電壓穩(wěn)定、有效頻帶寬，能夠滿足高動態(tài)應(yīng)用場合。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案:
[0007]—種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，控制模塊信號輸出端接功率放大器的正向端，功率放大器的信號輸出端接壓電陶瓷，壓電陶瓷接有精密電容，其特征在于:精密電容的一端和壓電陶瓷的一端與分別連接誤差積分運算放大器的輸入端，誤差積分運算放大器的輸出端接功率放大器的負向端。
[0008]精密電容接平衡補償電阻，平衡補償電阻滿足下式，
[0009]Rc.Cc = Rp.Cp
[0010]式中，Re表示平衡補償電阻，Rp表示壓電陶瓷等效電阻；
[0011]Ce表示精密電容，Cp表示壓電陶瓷等效電容。
[0012]壓電陶瓷一端接地，一端接精密電容；精密電容的另一端接功率放大器的信號輸出端。
[0013]功率運算放大器選用高壓MOSFET運算放大器。
[0014]精密電容選用金屬聚碳酸酯精密電容。
[0015]誤差積分器選用0PA603高速運算放大器。
[0016]本發(fā)明具有的有益效果:
[0017]本發(fā)明利用壓電陶瓷位移與其所帶自由電荷成線性關(guān)系的原理，通過控制施加在壓電陶瓷兩端的充電電荷以實現(xiàn)線性控制壓電陶瓷位移。理想情況下壓電陶瓷的電荷量與精密電容的電荷量相等，但由于壓電陶瓷漏電流的影響，即使增加了平衡電阻補償，但仍有漏電流的存在，導(dǎo)致壓電陶瓷與精密電容兩端的電荷量不相等，從而壓電陶瓷定位精度不準確。為了更大程度地減小漏電流，本發(fā)明分別引出壓電陶瓷的一端與精密電容的一端，并將其連接到誤差積分運算放大器。誤差積分運算放大器始終在比較壓電陶瓷兩端電荷量與精密電容兩端的電荷量的大小，將得到的電荷量之差反饋到功率放大器的負向端，進行適時地調(diào)節(jié)，達到維持壓電陶瓷兩端電荷量與精密電容兩端電荷量基本一致的目的，從而有效提高壓電陶瓷的定位精度。
[0018]本發(fā)明平衡補償電阻滿足下式，能夠有效提高壓電陶瓷驅(qū)動電源的低頻特性。
[0019]Rc.Cc = Rp.Cp
[0020]式中，Re表示平衡補償電阻，Rp表示壓電陶瓷等效電阻；
[0021]Ce表示精密電容，Cp表示壓電陶瓷等效電容。
[0022]由于壓電陶瓷與反饋電容(精密電容)的電荷量一致，本發(fā)明將壓電陶瓷與反饋電容互換位置，將壓電陶瓷一端接地。驅(qū)動電源可以直接驅(qū)動接地型壓電陶瓷負載，也可以應(yīng)用在典型的壓電陶瓷定位系統(tǒng)中。
[0023]本發(fā)明誤差積分器必須選擇高速運算放大器，否則不僅存在明顯的滯后影響，而且信號很容易失真。誤差積分器選擇0PA603高速運算放大器，其轉(zhuǎn)換率高達1000V/μ S，可以滿足要求。功率運算放大器選用高壓MOSFET運算放大器，輸出電流達4Α，單端供電時最高輸出電壓可達400V，雙端供電時最高輸出電壓可達土 200V，補償電容在1pF時轉(zhuǎn)換率可達50V/US，可以滿足要求。精密電容選取金屬聚碳酸酯精密電容，其等效電阻比壓電陶瓷的等效電阻大很多，因此精密電容的漏電流相對壓電陶瓷的漏電流小很多，低性能要求情況下甚至可以忽略。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明電路原理圖；
[0025]圖2是IuF壓電陶瓷負載時動態(tài)特性曲線一示意圖；
[0026]圖3是IuF壓電陶瓷負載時動態(tài)特性曲線二示意圖；
[0027]圖4是IuF壓電陶瓷負載時動態(tài)特性曲線三示意圖；
[0028]圖5是0.22uF壓電陶瓷負載時動態(tài)特性曲線一示意圖；
[0029]圖6是0.22uF壓電陶瓷負載時動態(tài)特性曲線二示意圖；
[0030]圖7是1.SuF壓電陶瓷微工作臺重復(fù)定位情況圖。

【具體實施方式】
[0031]如圖1所示，控制模塊信號輸出端VIN接功率放大器A的正向端，其中控制模塊由上位機、MCU、DA轉(zhuǎn)換器組成，此為現(xiàn)有技術(shù)，功率運算放大器A選用高壓MOSFET運算放大器，其中輸出端接有場效應(yīng)晶體管Ql、Q2、Q3、Q4，型號是2N4416，用于輸入保護。功率放大器A的信號輸出端接精密電容Ce，精密電容Ce選用金屬聚碳酸酯精密電容，精密電容Ce的另一端接壓電陶瓷Cp，壓電陶瓷Cp的一端接地。精密電容Ce的一端和壓電陶瓷Cp的一端與分別連接誤差積分運算放大器的輸入端，誤差積分器選用0PA603高速運算放大器，誤差積分運算放大器的輸出端接功率放大器A的負向端。精密電容Ce接平衡補償電阻Re，平衡補償電阻滿足下式，
[0032]Rc * Cc = Rp.Cp
[0033]式中，Re表示平衡補償電阻，Rp表示壓電陶瓷等效電阻；
[0034]Ce表示精密電容，Cp表示壓電陶瓷等效電容。
[0035]理想情況下壓電陶瓷Cp的電荷量與精密電容Ce的電荷量相等，但由于壓電陶瓷Cp漏電流的影響，即使增加了平衡電阻補償，但仍有漏電流的存在，導(dǎo)致壓電陶瓷與精密電容兩端的電荷量不相等，從而壓電陶瓷定位精度不準確。為了更大程度地減小漏電流，本發(fā)明分別引出壓電陶瓷Cp的一端與精密電容Ce的一端，并將其連接到誤差積分運算放大器0PA603。誤差積分運算放大器0PA603始終在比較壓電陶瓷Cp兩端電荷量與精密電容Ce兩端的電荷量的大小，將得到的電荷量之差反饋到功率放大器A的負向端，進行適時地調(diào)節(jié)，達到維持壓電陶瓷Cp兩端電荷量與精密電容Ce兩端電荷量基本一致的目的，從而有效提高壓電陶瓷的定位精度。
[0036]下面結(jié)合性能測試進一步說明本發(fā)明的有益效果。對本發(fā)明高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源進行了性能測試，曲線I是輸入控制正弦信號，曲線2是壓電陶瓷兩端輸出信號。IuF壓電陶瓷負載，輸入信號峰峰值為500mV，輸入信號頻率從50Hz、5KHz到23KHz的動態(tài)特性曲線見圖2、3、4。壓電陶瓷兩端輸出電壓近似為輸入控制電壓的22倍。可以看出，壓電陶瓷兩端輸出電壓可以跟隨輸入控制信號，其峰峰值近似IIV，相位幾乎沒有偏移，低頻動態(tài)特性良好，在不影響信號失真的情況下輸出信號頻率最大能達到23KHz。
[0037]0.22uF壓電陶瓷負載，輸入信號峰峰值為200mV，頻率為1KHz、50KHz的測試見圖
5、6所示，壓電陶瓷兩端輸出電壓近似為輸入控制電壓的100倍?？梢钥闯?，電容兩端輸出信號能較好地動態(tài)跟隨輸入控制信號，其峰峰值近似20V，相位幾乎沒有偏移。將控制正弦信號頻率增加到50KHz時，峰峰值縮減到1V左右。若在高動態(tài)應(yīng)用中控制對象只對頻率有較高要求的情況下，仍可以使用高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源。
[0038]壓電陶瓷等效電容約為1.SuF的壓電陶瓷微工作臺，輸入控制信號峰峰值從500mV逐步到3V，再從3V到500mV時，測量壓電陶瓷的位移情況，如圖7所示壓電陶瓷重復(fù)定位情況?？梢钥闯?，線性度非常好，誤差在1%以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，控制模塊信號輸出端接功率放大器的正向端，功率放大器的信號輸出端接壓電陶瓷，壓電陶瓷接有精密電容，其特征在于:精密電容的一端和壓電陶瓷的一端與分別連接誤差積分運算放大器的輸入端，誤差積分運算放大器的輸出端接功率放大器的負向端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于:精密電容接平衡補償電阻，平衡補償電阻滿足下式，
Rc.Cc = Rp.Cp 式中，Re表示平衡補償電阻，Rp表示壓電陶瓷等效電阻； Ce表示精密電容，Cp表示壓電陶瓷等效電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于:壓電陶瓷一端接地，一端接精密電容；精密電容的另一端接功率放大器的信號輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于:功率運算放大器選用高壓MOSFET運算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于:精密電容選用金屬聚碳酸酯精密電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高動態(tài)電荷型壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于:誤差積分器選用0PA603高速運算 放大器。
【文檔編號】H02N2/06GK104079203SQ201410276574
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】汝長海, 龐明, 王勇, 孟占凱 申請人:哈爾濱工程大學