一種開關(guān)線性混合式壓電陶瓷驅(qū)動電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種驅(qū)動電路，特別涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動電路，屬于壓電陶瓷驅(qū)動領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷執(zhí)行器主要基于逆壓電效應，利用壓電陶瓷在電場作用下發(fā)生形變，從而驅(qū)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。由于壓電陶瓷具有體積小、重量輕和強度高的優(yōu)點，其經(jīng)常應用于需要高頻運動的精密控制設備中，例如納米級系統(tǒng)、高速微機械系統(tǒng)、掃描探針顯微鏡和振動控制系統(tǒng)。壓電陶瓷是容性負載特性，高頻率就意味著大負載，給壓電陶瓷驅(qū)動電源的驅(qū)動能力帶來很大的考驗。
[0003]近年來，壓電陶瓷驅(qū)動器主要有兩種形式，一是基于直流變換原理的開關(guān)式驅(qū)動電源，其功率損耗小、效率高、體積小，但高頻干擾較大，電源輸出紋波較大，頻響范圍較窄。另一種是直流放大式線性驅(qū)動電源，其輸出紋波小、頻響范圍寬，隨著高壓運放技術(shù)的日趨完善，其已成為該領(lǐng)域的主流。然而，直流放大式驅(qū)動電源一直面臨著其功耗較大，效率低的問題。
[0004]解決上述問題的方法之一是開關(guān)線性混合式驅(qū)動電源。目前，尚沒有此類專門應用于壓電陶驅(qū)動器的系統(tǒng)論述，也未見有相關(guān)文獻或?qū)＠_。因此，研制壓電陶瓷的開關(guān)線性混合式驅(qū)動電源具有重要的現(xiàn)實意義和應用潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在保證紋波足夠小和響應足夠快的基礎(chǔ)上，降低壓電陶瓷的驅(qū)動電路中系統(tǒng)功耗。本發(fā)明公開的一種開關(guān)線性混合式壓電陶瓷驅(qū)動電路在保證紋波足夠小和響應足夠快的基礎(chǔ)上，通過提高線性功率放大器效率，進而降低壓電陶瓷的驅(qū)動電路中系統(tǒng)功耗。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明公開的一種開關(guān)線性混合式壓電陶瓷驅(qū)動電路，包括混合式電源控制模塊、開關(guān)式放大模塊、線性功率放大模塊、檢測模塊和供電電源。其中，所述混合式電源控制模塊主要用于產(chǎn)生開關(guān)式功率放大器和線性功率放大器模塊的指令信號。所述開關(guān)式放大器模塊用于將混合式電源控制模塊的指令信號放大成功率信號，作為線性功率放大模塊的動態(tài)供電電源。且混合式電源控制模塊控制開關(guān)式放大模塊輸出兩路供電電壓，較高供電電壓相比線性功率放大模塊的輸出電壓有一個余量電壓，線性功率放大模塊的輸出電壓相比較低供電電壓有一個同樣大小的余量電壓，此余量電壓比較小，其大小可在混合式電源控制模塊中設置，且不隨線性功率放大模塊的輸出電壓變化而變化。此種動態(tài)供電的方式，大大減少線性功率放大模塊的功率損耗。線性功率放大模塊的輸出作為壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電源。檢測模塊用于檢測開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的輸出電壓。
[0008]上述組成部分的連接關(guān)系如下:系統(tǒng)輸入與混合式電源控制模塊的輸入端相連，開關(guān)式功率放大模塊的輸出端、線性功率放大模塊的輸出端經(jīng)過檢測模塊分別作為反饋與混合式電源控制模塊的輸入端相連?；旌鲜诫娫纯刂颇K的第一個輸出端與開關(guān)式放大模塊輸入端相連，混合式電源控制模塊的第二個輸出端與線性功率放大模塊輸入端相連。開關(guān)式放大模塊的輸出端與線性功率放大模塊的供電輸入端相連。供電電源分別同混合式電源控制模塊、開關(guān)式放大模塊相連。
[0009]所述的混合式電源控制模塊包括信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。其中，信號調(diào)理電路的輸入分兩部分，一部分與系統(tǒng)輸入信號相連，另一部分與檢測模塊的輸出端相連，檢測模塊的輸入端分別與開關(guān)式功率放大模塊的輸出端、線性功率放大模塊的輸出端相連，信號調(diào)理電路的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端連接到處理器數(shù)據(jù)輸入端，處理器輸出線性功率放大模塊和開關(guān)式功率放大模塊的指令信號所對應的數(shù)據(jù)，分別傳送給兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端分別連接到線性功率放大模塊和開關(guān)式功率放大模塊的輸入端。信號調(diào)理電路利用串聯(lián)電阻分壓電路和跟隨電路實現(xiàn)，調(diào)整待采樣電壓達到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所限制的輸入范圍之內(nèi)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將模擬的系統(tǒng)輸入信號和檢測模塊輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，隨后由處理器讀取并計算出輸出電壓值，隨后，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。處理器中采用PID與相位超前補償結(jié)合的復合控制方法，開關(guān)式功率放大模塊輸出的電壓和線性功率放大模塊輸出的電壓反饋回復合控制器，與系統(tǒng)輸入做比較，同時系統(tǒng)輸入經(jīng)過相位超前補償和PID算法的輸出量進行疊加，再分別作為開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的指令信號，如此閉環(huán)控制開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的電壓輸出?；蛘咛幚砥髦胁捎玫鷮W習控制與相位超前補償結(jié)合的復合控制方法，將開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的輸出電壓反饋回復合控制器，與系統(tǒng)輸入做比較，同時系統(tǒng)輸入經(jīng)過相位超前補償和迭代學習控制的輸出量進行疊加，再分別作為開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的指令信號，如此閉環(huán)控制開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的電壓輸出。以提高開關(guān)式功率放大模塊輸出的響應速度和跟蹤精度。
[0010]所述的開關(guān)式放大模塊包括PWM調(diào)制比較電路，推挽式放大電路、低通濾波電路和電壓反饋。其中，PWM調(diào)制比較電路由運算放大器、比較器和R2、Cf組成。PWM調(diào)制比較電路采用PWM調(diào)制技術(shù)，將系統(tǒng)輸入信號(Vs)與一個參考三角波(Vt)比較，產(chǎn)生與系統(tǒng)輸入相關(guān)的調(diào)制信號。推挽式放大電路由MOS管M1I2組成，PWM調(diào)制比較電路輸出的調(diào)制信號通過札、M2交替開通進行功率放大。低通濾波電路由電感L i和電容C i組成，將功率放大信號中的模擬信號還原。Rf的作用是進行電壓反饋。
[0011]所述的線性功率放大模塊包括高壓集成功率放大器和其外圍電路以及功放放大級電路。高壓集成功率放大器外圍電路包括RpR2、R3、R4、Cjp C 2，功放放大級電路包括R5、RrRpDpQjP Q 2。高壓集成功率放大器的輸入與混合式電源控制模塊的輸出端相連；高壓集成功率放大器的輸出作為驅(qū)動電源與壓電陶瓷執(zhí)行器相連。高壓集成功率放大器的放大系數(shù)可以通過調(diào)節(jié)反饋電阻札和R4得到。R 3和C:是作為補償電阻和電容。
D1組成擴流電路用于擴大輸出電流的目的。
[0012]所述檢測模塊輸出端與混合式電源控制模塊的輸入端相連，輸入端與開關(guān)式功率放大模塊的輸出端、線性功率放大模塊的輸出端相連。檢測模塊用于檢測開關(guān)式功率放大模塊和線性功率放大模塊的輸出電壓，并將其反饋回混合式電源控制模塊。
[0013]所述供電電源分別同混合式電源控制模塊和開關(guān)式放大模塊相連。用以混合式電源控制模塊和開關(guān)式放大模塊的供電。
[0014]本壓電陶瓷驅(qū)動電路的工作過程如下:首先，混合式電源控制模塊對系統(tǒng)輸入信號和開關(guān)式功率放大模塊以及線性功率放大模塊的輸出電壓進行采樣。之后，混合式電源控制模塊采用PID與相位超前補償結(jié)合的復合控制方法或者采用迭代學習控制與相位超前補償結(jié)合的復合控制方法，產(chǎn)生開關(guān)式放大模塊的指令，經(jīng)過開關(guān)式放大模塊的功率放大后，產(chǎn)生線性功率放大模塊的動態(tài)供電電源。同時，混合式電源控制模塊產(chǎn)生指令信號，作為線性功率放大模塊的輸入，經(jīng)線性功率放大模塊放大后輸出功率信號，作為壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電源。
[0015]有益效果
[0016]1、本發(fā)明公開的一種新的開關(guān)線性混合式驅(qū)動電路通過提高線性功率放大器效率，進而降低壓電陶瓷驅(qū)動電路中系統(tǒng)功耗。
[0017]2、本發(fā)明公開的一種新的開關(guān)線性混合式驅(qū)動電路，采用開關(guān)線性復合功率放大器的結(jié)構(gòu)，既達到開關(guān)式功率放大器的高效率，又達到線性功率放大器的高線性度，系統(tǒng)體積也減小