专利名称：压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源及方法
技术领域：
本发明属于机器人驱动技术领域，特别涉及一种压电驱动式微型电磁机器人的一 体式驱动电源及方法。
背景技术：
现代科学技术的发展使人类的研究领域扩展到微观世界，对精密定位、微小位移 的要求越来越高。微型机器人技术是人类探索围观世界的重要技术。压电驱动式微型机器 人是一种利用压电陶瓷驱动器(PZT)作为主要的驱动原件实现微小位移的微型机器人。压 电陶瓷致动器具有体积小、位移分辨率高、频率响应高、无噪声、发热少、输出力大、换能效 率高等优点，正在被越来越多地应用到微型机器人领域。压电陶瓷是高压器件，需要专门的 驱动电源进行驱动。一般的驱动电源仅具有电流和电压放大功能，使用过程中需要用户额 外配备信号源(信号发生器或信号发生卡)，带来接线复杂、成本高、不易携带、实时调整困 难等不便，这大大限制了在微型机器人的实际应用。
发明内容
本发明的首要目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合 理，调节方便、控制灵活、易于携带的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源。本发明的另一目的还在于提供由上述电源实现的驱动方法。为达上述目的，本发明采用如下的技术方案压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，包括供电电源、显示单元、微处理 器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元，所述供电电源分别与 显示单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元连接； 所述微处理器分别与显示单元、定时器、多通道D/A转换器连接，所述多通道D/A转换器分 别与功率放大单元、线圈电流放大单元连接，所述功率放大单元外接压电驱动式微型电磁 机器人内部的压电陶瓷致动器，所述线圈电流放大单元外接压电驱动式微型电磁机器人内 部的线圈元件。所述功率放大单元包括信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级放大模块、主 电路限流模块、反馈补偿模块和过流保护模块，所述多通道D/A转换器与信号调节模块连 接，所述信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级放大模块、主电路限流模块、过流保护 模块依次连接，所述反馈补偿模块与比例-积分控制器模块连接，所述反馈补偿模块、主电 路限流模块、多级放大模块均分别外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动 器；所述多级放大模块、过流保护模块均与供电电源连接。所述信号调节模块包括第一运算放大器、第一电容、第二运算放大器、第一电阻、 第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻和第四电阻均为可调 电阻，所述第四电阻的一端与多通道D/A转换器的第一输出端连接，其另一端接地，且其滑 动端与第二运算放大器的同相输入端连接，第二运算放大器的反相输入端与其输出端连接，第一电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第二电阻的一端连接，第二 电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与其输出端 连接；第一电容的一端与第一运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；第三电阻的一 端接地，另一端外接供电电源的直流参考电压输出端；第六电阻的一端与第一运算放大器 的同相输入端连接，其另一端与第三电阻的滑动端连接；所述比例-积分控制器模块连接 在第一电阻和第二电阻的公共端。所述比例-积分控制器模块包括第三运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻 和第二电容，所述第九电阻为可调电阻；所述第九电阻的一端接地，另一端与第八电阻的一 端连接，其滑动端接地；所述第八电阻的另一端与第三运算放大器的反相输入端连接；所 述第三运算放大器的同相输入端连接在信号调节模块的第一电阻和第二电阻之间；所述第 三运算放大器的输出端与多级放大模块连接；所述第七电阻的一端与第三运算放大器的反 相输入端连接，其另一端与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与第三运算放大 器的输出端连接；所述第三运算放大器的反相输入端与反馈补偿模块连接。所述多级放大模块包括第十电阻、第五电力场效应管、第十二电阻、第十三电阻、 第十一电阻、第三电力场效应管、第十六电阻、三极管、第十五电阻、第十四电阻、第十七电 阻、第四电力场效应管和第二十九电阻，所述第十电阻的一端与比例-积分控制器模块的 第三运算放大器的输出端连接，其另一端与第五电力场效应管的门极连接，第五电力场效 应管的漏极与主电路限流模块连接，第五电力场效应管的源极与第三电力场效应管的源 极连接；第十二电阻的一端与第三电力场效应管的源极连接，其另一端与供电电源的负极 低压直流电压输出端连接；第十三电阻的一端与第三电力场效应管的门极连接，其另一端 与供电电源的负极低压直流电压输出端连接；第十一电阻的一端与第三电力场效应管的 门极连接，其另一端接地；第三电力场效应管的漏极与三极管的基极、主电路限流模块连 接；第十六电阻的一端与三极管的集电极连接，另一端与供电电源的负极低压直流电压输 出端连接；第十五电阻的一端与三极管的集电极连接，另一端与第四电力场效应管的门极 连接；第十四电阻的一端与三极管的发射极连接，另一端与第四电力场效应管的漏极连接； 第十七电阻的一端与第四电力场效应管的源极连接，另一端与第四电力场效应管的漏极连 接；第二十九电阻的一端接地，另一端分别与第四电力场效应管的漏极、主电路限流模块连 接，且所述另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。所述主电路限流模块包括第二稳压管、第二电力场效应管、第十九电阻、第十八电 阻和第三电容，所述第二稳压管的阳极与多级放大模块中的第三电力场效应管的漏极连 接，其阴极与第十九电阻的一端连接，第十九电阻的另一端与第二电力场效应管的门极连 接；第十八电阻的一端与所述第十九电阻的另一端连接，其另一端与多级放大模块的第五 电力场效应管的漏极、过流保护模块连接；第三电容的一端与第二电力场效应管的漏极连 接，第二电力场效应管的源极与多级放大模块的第二十九电阻的另一端连接，且外接压电 驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。所述反馈补偿模块包括第二十电阻、第二十一电阻和第四电容，所述第二十一电 阻的一端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器的反相输入端连接，其另一端与第四 电容的一端连接，第四电容的另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动 器；第二十电阻的一端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器的反相输入端连接，其另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。所述过流保护模块包括第一电力场效应管、第二十六电阻、第一稳压管、第六电 容、第二十七电阻、第二光耦、第二十八电阻、晶闸管、第二十五电阻、第二十四电阻、第一光 耦、第五电容、第二十三电阻和第二十二电阻，所述第一电力场效应管的漏极与供电电源的 单极高压直流电压输出端连接；第二十六电阻的一端与第一电力场效应管的门极连接，其 另一端与第一电力场效应管的漏极连接；第一稳压管的阳极与第一电力场效应管的源极连 接，其阴极与第一电力场效应管的门极连接；第六电容的一端与第一稳压管的阴极连接， 其另一端与第二十七电阻的一端连接，第二十七电阻的另一端与第一稳压管的阳极连接； 第二光耦的接收输入端与第一稳压管的阴极连接，其接收输出端与第一稳压管的阳极连 接；第二光耦的发射输入端与供电电源的正极低压直流电压输出端连接，其发射输出端与 第二十八电阻的一端连接；第二十八电阻的另一端与晶闸管的阳极连接；晶闸管的阴极接 地；第二十五电阻的一端接地，另一端与晶闸管的门极连接；第二十四电阻的一端与晶闸 管的门极连接，其另一端与第一光耦的接收输出端连接，第一光耦的接收输入端与供电电 源的正极低压直流电压输出端连接；第五电容的一端与第一光耦的发射输入端连接，其另 一端与第一光耦的发射输出端连接；第二十三电阻的一端与第一光耦的发射输入端连接， 另一端与第一电力场效应管的源极连接；第二十二电阻的一端与第一光耦的发射输出端连 接，其另一端与第一电力场效应管的源极连接；所述第一光耦的发射输出端与所述主电路 限流模块的第十八电阻的另一端连接。所述线圈电流放大单元包括第三十电阻、第四运算放大器、第七电容、第三十一电 阻、第三十二电阻、第三稳压管、第六电力场效应管、第三十四电阻、第八电容、二极管、第 三十三电阻、第三十五电阻、第五运算放大器、第三十六电阻、第三十七电阻、第三十八电 阻、第四稳压管和第三十九电阻，所述第三十电阻和第三十六电阻为可调电阻；所述第三十 电阻的一端与多通道D/A转换器的第二输出端连接，另一端接地，且其滑动端与第四运算 放大器的同相输入端连接；第四运算放大器的输出端、第三十一电阻、第六电力场效应管 的门极依次连接；所述第七电容的两端分别与第四运算放大器的输出端、第六电力场效应 管的门极连接；第三十二电阻的一端与第六电力场效应管的门极连接，其另一端接地；第 三稳压管的阴极与第六电力场效应管的门极连接，其阳极接地；第六电力场效应管的漏极 外接压电驱动式微型电磁机器人内部的线圈元件；第三十四电阻的一端与第六电力场效 应管的漏极连接，其另一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与第三十三电阻的一端连 接，第三十三电阻的另一端接地；第八电容的一端与第六电力场效应管的漏极连接，其另 一端与二极管的阳极连接；第三十五电阻的一端与第五运算放大器的输出端、第四运算放 大器的反相输入端连接；第五运算放大器的同相输入端与第六电力场效应管的源极连接； 第三十九电阻的一端与第六电力场效应管的源极连接，其另一端接地；第三十六电阻、第 三十七电阻、第三十八电阻依次连接，第三十八电阻的另一端与供电电源的正极低压直流 电压输出端连接；第三十六电阻的另一端接地；第三十六电阻的滑动端与第五运算放大器 的反相输入端连接；第四稳压管的阳极接地，其阴极连接在第三十七电阻和第三十八电阻 之间。由上述电源实现的方法，包括如下步骤(1)压电驱动式微型电磁机器人的驱动需要高压正弦波电压信号和矩形波电流信号，分别用于压电陶瓷致动器和线圈元件。本电源可提供单极高压正弦波电压信号和单向 矩形波电流信号。(2)微处理器通过显示单元，显示并接受用户的参数输入，生成相应波形的幅值数 据序列，并用定时器硬件中断的方式调整采样点的间隔，输出相应周期的多路数字信号。(3)多路数字信号经过多通道D/A转换器转化为四路模拟信号，分别是频率相等 的两路正弦波和两路方波，其中正弦波信号为双极性，方波信号为单极性。(4)所述正弦波信号输入通过多通道D/A转换器的第一输出端发送至功率放大 单元，经其信号调节模块处理后成为单极性的正弦波信号，输入至比例-积分控制器模块 中的第三运算放大器的同相输入端；压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器 的反馈信号经反馈补偿模块输入至第三运算放大器的反相输入端，结果是误差信号经过比 例-积分控制器模块的作用后，产生控制信号经多级放大模块的第十电阻输入至第五电力 场效应管的门极；通过控制第五电力场效应的门极电压，控制其漏极电流，当第五电力场效 应的漏极电流增大时，第三电力场效应管的源极电压增加，第三电力场效应管的门极和源 极的电压差减少，第三电力场效应管的漏极电流减少，致使三极管的基极和第四电力场效 应管的漏极电流均减少，流过第二十九电阻的电流增加，主电路限流模块中第二电力场效 应管的源极电压增加；当第五电力场效应管的漏极电流减少时，第三电力场效应管的源极 电压降低，第三电力场效应管的门极和源极的电压差增大，第三电力场效应管的漏极电流 增加，致使三极管的基极和第三电力场效应管的漏极电流均增加，流过第二十九电阻的电 流减少，第二电力场效应管的源极电压降低；当第二电力场效应管的漏极电流过大时，过流 保护模块中，第二十二电阻两端的电压增加至使第一光耦导通，第二十五电阻、第二十四电 阻的分压作用使晶闸管开通，进而使第二光耦导通，使第一电力场效应管的门极和源极电 压差降低至使其截止，进而使第二电力场效应管的漏极电流截止；同时，方波信号通过多通道D/A转换器的第二输出端输入线圈电流放大单元，经 第四运算放大器进行电压比较后，依次经第三十一电阻、第七电容输出至第六电力场效应 管，控制其导通或截止，进而控制第六电力场效应管的漏极电流；当第六电力场效应管的漏 极电流增加至一定阈值时，第五运算放大器构成的电压比较器输出为负电压的时候，第四 运算放大器输出负电压，使第六电力场效应管截止；当电流截止时，压电驱动式微型电磁机 器人内部的线圈元件的电流通过第三十四电阻、二极管和第八电容进行释放。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果本发明各部分为一体式连接， 方便携带，同时本发明具有供调节方便、控制灵活、易于携带、成本低等优点。可用于压电驱 动式微型电磁机器人，使得微型机器人不需要专门的驱动电源，只需通过本发明电源进行 驱动即可，使用非常方便。
图1是本发明电源的总体结构示意图。图2是图1所示功率放大单元的结构示意图。图3是图1所示线圈电流放大单元的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例如图1所示，压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，包括供电电源、显示 单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元，所述供电 电源分别与显示单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放 大单元连接；所述微处理器分别与显示单元、定时器、多通道D/A转换器连接，所述多通道 D/A转换器分别与功率放大单元、线圈电流放大单元连接，所述功率放大单元外接压电驱动 式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器50，所述线圈电流放大单元外接压电驱动式微型 电磁机器人内部的线圈元件67。显示单元为触摸显示屏；供电电源外接220伏交流电，其直流参考电压输出端、单 极高压直流电压输出端、正极低压直流电压输出端、负极低压直流电压输出端分别输出直 流参考电压、单极高压直流电压、正极低压直流电压、负极低压直流电压。如图2所示，所述功率放大单元包括信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级 放大模块、主电路限流模块、反馈补偿模块和过流保护模块，所述多通道D/A转换器与信号 调节模块连接，所述信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级放大模块、主电路限流模 块、过流保护模块依次连接，所述反馈补偿模块与比例-积分控制器模块连接，所述反馈补 偿模块、主电路限流模块、多级放大模块均分别外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压 电陶瓷致动器50 ；所述多级放大模块、过流保护模块均与供电电源连接。如图2所示，所述信号调节模块包括第一运算放大器6、第一电容8、第二运算放大 器3、第一电阻4、第二电阻5、第三电阻9、第四电阻1、第五电阻2和第六电阻7，所述第三 电阻9和第四电阻1均为可调电阻，所述第四电阻1的一端与多通道D/A转换器的第一输 出端55连接，其另一端接地，且其滑动端与第二运算放大器3的同相输入端连接，第二运算 放大器3的反相输入端与其输出端连接，第一电阻4的一端与第二运算放大器3的输出端 连接，另一端与第二电阻5的一端连接，第二电阻5的另一端与第一运算放大器6的输出端 连接，第一运算放大器6的反相输入端与其输出端连接；第一电容8的一端与第一运算放大 器6的同相输入端连接，另一端接地；第三电阻9的一端接地，另一端外接供电电源的直流 参考电压输出端讨；第六电阻7的一端与第一运算放大器6的同相输入端连接，其另一端 与第三电阻9的滑动端连接；所述比例-积分控制器模块连接在第一电阻4和第二电阻5 的公共端。如图2所示，所述比例-积分控制器模块包括第三运算放大器12、第七电阻13、第 八电阻11、第九电阻10和第二电容14，所述第九电阻10为可调电阻；所述第九电阻10的 一端接地，另一端与第八电阻11的一端连接，其滑动端接地；所述第八电阻11的另一端与 第三运算放大器12的反相输入端连接；所述第三运算放大器12的同相输入端连接在信号 调节模块的第一电阻4和第二电阻5之间；所述第三运算放大器12的输出端与多级放大模 块连接；所述第七电阻13的一端与第三运算放大器12的反相输入端连接，其另一端与第二 电容14的一端连接，所述第二电容14的另一端与第三运算放大器12的输出端连接；所述 第三运算放大器12的反相输入端与反馈补偿模块连接。
如图2所示，所述多级放大模块包括第十电阻15、第五电力场效应管16、第十二电 阻17、第十三电阻18、第十一电阻19、第三电力场效应管20、第十六电阻22、三极管21、第 十五电阻23、第十四电阻沈、第十七电阻M、第四电力场效应管25和第二十九电阻27，所 述第十电阻15的一端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器12的输出端连接，其另 一端与第五电力场效应管16的门极连接，第五电力场效应管16的漏极与主电路限流模块 连接，第五电力场效应管16的源极与第三电力场效应管20的源极连接；第十二电阻的一端 与第三电力场效应管20的源极连接，其另一端与供电电源的负极低压直流电压输出端53 连接；第十三电阻18的一端与第三电力场效应管20的门极连接，其另一端与供电电源的 负极低压直流电压输出端53连接；第十一电阻19的一端与第三电力场效应管20的门极连 接，其另一端接地；第三电力场效应管20的漏极与三极管21的基极、主电路限流模块连接； 第十六电阻22的一端与三极管21的集电极连接，另一端与供电电源的负极低压直流电压 输出端53连接；第十五电阻23的一端与三极管21的集电极连接，另一端与第四电力场效 应管25的门极连接；第十四电阻沈的一端与三极管21的发射极连接，另一端与第四电力 场效应管25的漏极连接；第十七电阻M的一端与第四电力场效应管25的源极连接，另一 端与第四电力场效应管25的漏极连接；第二十九电阻27的一端接地，另一端分别与第四电 力场效应管25的漏极、主电路限流模块连接，且所述另一端外接压电驱动式微型电磁机器 人内部的压电陶瓷致动器50。如图2所示，所述主电路限流模块包括第二稳压管32、第二电力场效应管31、第 十九电阻30、第十八电阻观和第三电容四，所述第二稳压管32的阳极与多级放大模块中 的第三电力场效应管20的漏极连接，其阴极与第十九电阻30的一端连接，第十九电阻30 的另一端与第二电力场效应管31的门极连接；第十八电阻观的一端与所述第十九电阻30 的另一端连接，其另一端与多级放大模块的第五电力场效应管16的漏极、过流保护模块连 接；第三电容四的一端与第二电力场效应管31的漏极连接，第二电力场效应管31的源极 与多级放大模块的第二十九电阻27的另一端连接，且外接压电驱动式微型电磁机器人内 部的压电陶瓷致动器50。如图2所示，所述反馈补偿模块包括第二十电阻35、第二十一电阻33和第四电容 34，所述第二十一电阻33的一端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器12的反相输 入端连接，其另一端与第四电容34的一端连接，第四电容34的另一端外接压电驱动式微型 电磁机器人内部的压电陶瓷致动器50;第二十电阻的一端与比例-积分控制器模块的第三 运算放大器12的反相输入端连接，其另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电 陶瓷致动器50。如图2所示，所述过流保护模块包括第一电力场效应管36、第二十六电阻37、第 一稳压管38、第六电容39、第二十七电阻40、第二光耦41、第二十八电阻42、晶间管43、第 二十五电阻44、第二十四电阻45、第一光耦46、第五电容47、第二十三电阻48和第二十二 电阻49，所述第一电力场效应管36的漏极与供电电源的单极高压直流电压输出端52连接； 第二十六电阻37的一端与第一电力场效应管36的门极连接，其另一端与第一电力场效应 管36的漏极连接；第一稳压管38的阳极与第一电力场效应管36的源极连接，其阴极与第 一电力场效应管36的门极连接；第六电容39的一端与第一稳压管38的阴极连接，其另一 端与第二十七电阻40的一端连接，第二十七电阻40的另一端与第一稳压管38的阳极连接；第二光耦41的接收输入端78与第一稳压管38的阴极连接，其接收输出端79与第一稳 压管38的阳极连接；第二光耦41的发射输入端76与供电电源的正极低压直流电压输出端 51连接，其发射输出端77与第二十八电阻42的一端连接；第二十八电阻42的另一端与晶 闸管43的阳极连接；晶闸管43的阴极接地；第二十五电阻44的一端接地，另一端与晶闸管 43的门极连接；第二十四电阻45的一端与晶闸管43的门极连接，其另一端与第一光耦46 的接收输出端83连接，第一光耦46的接收输入端82与供电电源的正极低压直流电压输出 端51连接；第五电容47的一端与第一光耦46的发射输入端80连接，其另一端与第一光耦 46的发射输出端81连接；第二十三电阻48的一端与第一光耦46的发射输入端80连接， 另一端与第一电力场效应管36的源极连接；第二十二电阻49的一端与第一光耦46的发射 输出端81连接，其另一端与第一电力场效应管36的源极连接；所述第一光耦46的发射输 出端81与所述主电路限流模块的第十八电阻观的另一端连接。如图3所示，所述线圈电流放大单元包括第三十电阻57、第四运算放大器58、第 七电容60、第三十一电阻59、第三十二电阻61、第三稳压管62、第六电力场效应管71、第 三十四电阻72、第八电容73、二极管74、第三十三电阻75、第三十五电阻63、第五运算放大 器64、第三十六电阻65、第三十七电阻66、第三十八电阻68、第四稳压管69和第三十九电 阻70，所述第三十电阻57和第三十六电阻65为可调电阻；所述第三十电阻57的一端与多 通道D/A转换器的第二输出端84连接，另一端接地，且其滑动端与第四运算放大器58的同 相输入端连接；第四运算放大器58的输出端、第三十一电阻59、第六电力场效应管71的门 极依次连接；所述第七电容60的两端分别与第四运算放大器58的输出端、第六电力场效应 管71的门极连接；第三十二电阻61的一端与第六电力场效应管71的门极连接，其另一端 接地；第三稳压管62的阴极与第六电力场效应管71的门极连接，其阳极接地；第六电力场 效应管71的漏极外接压电驱动式微型电磁机器人内部的线圈元件67 ；第三十四电阻72的 一端与第六电力场效应管71的漏极连接，其另一端与二极管74的阳极连接，二极管74的 阴极与第三十三电阻75的一端连接，第三十三电阻75的另一端接地；第八电容73的一端 与第六电力场效应管71的漏极连接，其另一端与二极管74的阳极连接；第三十五电阻63 的一端与第五运算放大器64的输出端、第四运算放大器58的反相输入端连接；第五运算放 大器64的同相输入端与第六电力场效应管71的源极连接；第三十九电阻70的一端与第六 电力场效应管71的源极连接，其另一端接地；第三十六电阻65、第三十七电阻66、第三十八 电阻68依次连接，第三十八电阻68的另一端与供电电源的正极低压直流电压输出端51连 接；第三十六电阻65的另一端接地；第三十六电阻65的滑动端与第五运算放大器64的反 相输入端连接；第四稳压管69的阳极接地，其阴极连接在第三十七电阻66和第三十八电阻 68之间。由上述电源实现的方法，包括如下步骤(1)压电驱动式微型电磁机器人的驱动需要高压正弦波电压信号和矩形波电流信 号，分别用于压电陶瓷致动器50和线圈元件67。本电源可提供单极高压正弦波电压信号和 单向矩形波电流信号。(2)微处理器通过显示单元，显示并接受用户的参数输入，生成相应波形的幅值数 据序列，并用定时器硬件中断的方式调整采样点的间隔，输出相应周期的多路数字信号。(3)多路数字信号经过多通道D/A转换器转化为四路模拟信号，分别是频率相等的两路正弦波和两路方波，其中正弦波信号为双极性，方波信号为单极性。(4)所述正弦波信号输入通过多通道D/A转换器的第一输出端55发送至功率放大 单元，经其信号调节模块处理后成为单极性的正弦波信号，输入至比例-积分控制器模块 中的第三运算放大器12的同相输入端；压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动 器50的反馈信号经反馈补偿模块输入至第三运算放大器12的反相输入端，结果是误差信 号经过比例-积分控制器模块的作用后，产生控制信号经多级放大模块的第十电阻15输入 至第五电力场效应管16的门极；通过控制第五电力场效应的门极电压，控制其漏极电流， 当第五电力场效应的漏极电流增大时，第三电力场效应管20的源极电压增加，第三电力场 效应管20的门极和源极的电压差减少，第三电力场效应管20的漏极电流减少，致使三极管 21的基极和第四电力场效应管25的漏极电流均减少，流过第二十九电阻27的电流增加，主 电路限流模块中第二电力场效应管31的源极电压增加；当第五电力场效应管16的漏极电 流减少时，第三电力场效应管20的源极电压降低，第三电力场效应管20的门极和源极的电 压差增大，第三电力场效应管20的漏极电流增加，致使三极管21的基极和第三电力场效应 管20的漏极电流均增加，流过第二十九电阻27的电流减少，第二电力场效应管31的源极 电压降低；当第二电力场效应管31的漏极电流过大时，过流保护模块中，第二十二电阻49 两端的电压增加至使第一光耦46导通，第二十五电阻44、第二十四电阻45的分压作用使晶 闸管43开通，进而使第二光耦41导通，使第一电力场效应管36的门极和源极电压差降低 至使其截止，进而使第二电力场效应管31的漏极电流截止；同时，方波信号通过多通道D/A转换器的第二输出端84输入线圈电流放大单元， 经第四运算放大器58进行电压比较后，依次经第三十一电阻59、第七电容60输出至第六电 力场效应管71，控制其导通或截止，进而控制第六电力场效应管71的漏极电流；当第六电 力场效应管71的漏极电流增加至一定阈值时，第五运算放大器64构成的电压比较器输出 为负电压的时候，第四运算放大器58输出负电压，使第六电力场效应管71截止；当电流截 止时，压电驱动式微型电磁机器人内部的线圈元件67的电流通过第三十四电阻72、二极管 74和第八电容73进行释放。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在于包括供电电源、显示 单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元，所述供电 电源分别与显示单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放 大单元连接；所述微处理器分别与显示单元、定时器、多通道D/A转换器连接，所述多通道 D/A转换器分别与功率放大单元、线圈电流放大单元连接，所述功率放大单元外接压电驱动 式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器，所述线圈电流放大单元外接压电驱动式微型电 磁机器人内部的线圈元件。
2.根据权利要求1所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述功率放大单元包括信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级放大模块、主电路 限流模块、反馈补偿模块和过流保护模块，所述多通道D/A转换器与信号调节模块连接，所 述信号调节模块、比例-积分控制器模块、多级放大模块、主电路限流模块、过流保护模块 依次连接，所述反馈补偿模块与比例-积分控制器模块连接，所述反馈补偿模块、主电路限 流模块、多级放大模块均分别外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器；所 述多级放大模块、过流保护模块均与供电电源连接。
3.根据权利要求2所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述信号调节模块包括第一运算放大器、第一电容、第二运算放大器、第一电阻、第二电 阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻和第四电阻均为可调电阻，所 述第四电阻的一端与多通道D/A转换器的第一输出端连接，其另一端接地，且其滑动端与 第二运算放大器的同相输入端连接，第二运算放大器的反相输入端与其输出端连接，第一 电阻的一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的 另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与其输出端连接； 第一电容的一端与第一运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；第三电阻的一端接地， 另一端外接供电电源的直流参考电压输出端；第六电阻的一端与第一运算放大器的同相输 入端连接，其另一端与第三电阻的滑动端连接；所述比例-积分控制器模块连接在第一电 阻和第二电阻的公共端。
4.根据权利要求3所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述比例-积分控制器模块包括第三运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第 二电容，所述第九电阻为可调电阻；所述第九电阻的一端接地，另一端与第八电阻的一端连 接，其滑动端接地；所述第八电阻的另一端与第三运算放大器的反相输入端连接；所述第 三运算放大器的同相输入端连接在信号调节模块的第一电阻和第二电阻之间；所述第三运 算放大器的输出端与多级放大模块连接；所述第七电阻的一端与第三运算放大器的反相输 入端连接，其另一端与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与第三运算放大器的 输出端连接；所述第三运算放大器的反相输入端与反馈补偿模块连接。
5.根据权利要求4所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述多级放大模块包括第十电阻、第五电力场效应管、第十二电阻、第十三电阻、第十一 电阻、第三电力场效应管、第十六电阻、三极管、第十五电阻、第十四电阻、第十七电阻、第四 电力场效应管和第二十九电阻，所述第十电阻的一端与比例-积分控制器模块的第三运算 放大器的输出端连接，其另一端与第五电力场效应管的门极连接，第五电力场效应管的漏 极与主电路限流模块连接，第五电力场效应管的源极与第三电力场效应管的源极连接；第十二电阻的一端与第三电力场效应管的源极连接，其另一端与供电电源的负极低压直流 电压输出端连接；第十三电阻的一端与第三电力场效应管的门极连接，其另一端与供电电 源的负极低压直流电压输出端连接；第十一电阻的一端与第三电力场效应管的门极连接， 其另一端接地；第三电力场效应管的漏极与三极管的基极、主电路限流模块连接；第十六 电阻的一端与三极管的集电极连接，另一端与供电电源的负极低压直流电压输出端连接； 第十五电阻的一端与三极管的集电极连接，另一端与第四电力场效应管的门极连接；第 十四电阻的一端与三极管的发射极连接，另一端与第四电力场效应管的漏极连接；第十七 电阻的一端与第四电力场效应管的源极连接，另一端与第四电力场效应管的漏极连接；第 二十九电阻的一端接地，另一端分别与第四电力场效应管的漏极、主电路限流模块连接，且 所述另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。
6.根据权利要求5所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述主电路限流模块包括第二稳压管、第二电力场效应管、第十九电阻、第十八电阻和 第三电容，所述第二稳压管的阳极与多级放大模块中的第三电力场效应管的漏极连接，其 阴极与第十九电阻的一端连接，第十九电阻的另一端与第二电力场效应管的门极连接；第 十八电阻的一端与所述第十九电阻的另一端连接，其另一端与多级放大模块的第五电力场 效应管的漏极、过流保护模块连接；第三电容的一端与第二电力场效应管的漏极连接，第二 电力场效应管的源极与多级放大模块的第二十九电阻的另一端连接，且外接压电驱动式微 型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。
7.根据权利要求6所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述反馈补偿模块包括第二十电阻、第二十一电阻和第四电容，所述第二十一电阻的一 端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器的反相输入端连接，其另一端与第四电容的 一端连接，第四电容的另一端外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器；第 二十电阻的一端与比例-积分控制器模块的第三运算放大器的反相输入端连接，其另一端 外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器。
8.根据权利要求7所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述过流保护模块包括第一电力场效应管、第二十六电阻、第一稳压管、第六电容、第 二十七电阻、第二光耦、第二十八电阻、晶闸管、第二十五电阻、第二十四电阻、第一光耦、 第五电容、第二十三电阻和第二十二电阻，所述第一电力场效应管的漏极与供电电源的单 极高压直流电压输出端连接；第二十六电阻的一端与第一电力场效应管的门极连接，其另 一端与第一电力场效应管的漏极连接；第一稳压管的阳极与第一电力场效应管的源极连 接，其阴极与第一电力场效应管的门极连接；第六电容的一端与第一稳压管的阴极连接， 其另一端与第二十七电阻的一端连接，第二十七电阻的另一端与第一稳压管的阳极连接； 第二光耦的接收输入端与第一稳压管的阴极连接，其接收输出端与第一稳压管的阳极连 接；第二光耦的发射输入端与供电电源的正极低压直流电压输出端连接，其发射输出端与 第二十八电阻的一端连接；第二十八电阻的另一端与晶闸管的阳极连接；晶闸管的阴极接 地；第二十五电阻的一端接地，另一端与晶闸管的门极连接；第二十四电阻的一端与晶闸 管的门极连接，其另一端与第一光耦的接收输出端连接，第一光耦的接收输入端与供电电 源的正极低压直流电压输出端连接；第五电容的一端与第一光耦的发射输入端连接，其另 一端与第一光耦的发射输出端连接；第二十三电阻的一端与第一光耦的发射输入端连接，另一端与第一电力场效应管的源极连接；第二十二电阻的一端与第一光耦的发射输出端连 接，其另一端与第一电力场效应管的源极连接；所述第一光耦的发射输出端与所述主电路 限流模块的第十八电阻的另一端连接。
9.根据权利要求1所述的压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源，其特征在 于所述线圈电流放大单元包括第三十电阻、第四运算放大器、第七电容、第三十一电阻、第 三十二电阻、第三稳压管、第六电力场效应管、第三十四电阻、第八电容、二极管、第三十三 电阻、第三十五电阻、第五运算放大器、第三十六电阻、第三十七电阻、第三十八电阻、第四 稳压管和第三十九电阻，所述第三十电阻和第三十六电阻为可调电阻；所述第三十电阻的 一端与多通道D/A转换器的第二输出端连接，另一端接地，且其滑动端与第四运算放大器 的同相输入端连接；第四运算放大器的输出端、第三十一电阻、第六电力场效应管的门极依 次连接；所述第七电容的两端分别与第四运算放大器的输出端、第六电力场效应管的门极 连接；第三十二电阻的一端与第六电力场效应管的门极连接，其另一端接地；第三稳压管 的阴极与第六电力场效应管的门极连接，其阳极接地；第六电力场效应管的漏极外接压电 驱动式微型电磁机器人内部的线圈元件；第三十四电阻的一端与第六电力场效应管的漏极 连接，其另一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与第三十三电阻的一端连接，第三十三 电阻的另一端接地；第八电容的一端与第六电力场效应管的漏极连接，其另一端与二极管 的阳极连接；第三十五电阻的一端与第五运算放大器的输出端、第四运算放大器的反相输 入端连接；第五运算放大器的同相输入端与第六电力场效应管的源极连接；第三十九电阻 的一端与第六电力场效应管的源极连接，其另一端接地；第三十六电阻、第三十七电阻、第 三十八电阻依次连接，第三十八电阻的另一端与供电电源的正极低压直流电压输出端连 接；第三十六电阻的另一端接地；第三十六电阻的滑动端与第五运算放大器的反相输入端 连接；第四稳压管的阳极接地，其阴极连接在第三十七电阻和第三十八电阻之间。
10.由权利要求1 9任一项所述电源实现的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)压电驱动式微型电磁机器人的驱动需要高压正弦波电压信号和矩形波电流信号， 分别用于压电陶瓷致动器和线圈元件。本电源可提供单极高压正弦波电压信号和单向矩形 波电流信号。(2)微处理器通过显示单元，显示并接受用户的参数输入，生成相应波形的幅值数据序 列，并用定时器硬件中断的方式调整采样点的间隔，输出相应周期的多路数字信号。(3)多路数字信号经过多通道D/A转换器转化为四路模拟信号，分别是频率相等的两 路正弦波和两路方波，其中正弦波信号为双极性，方波信号为单极性。(4)所述正弦波信号输入通过多通道D/A转换器的第一输出端发送至功率放大单元， 经其信号调节模块处理后成为单极性的正弦波信号，输入至比例-积分控制器模块中的第 三运算放大器的同相输入端；压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器的反馈信 号经反馈补偿模块输入至第三运算放大器的反相输入端，结果是误差信号经过比例-积分 控制器模块的作用后，产生控制信号经多级放大模块的第十电阻输入至第五电力场效应管 的门极；通过控制第五电力场效应的门极电压，控制其漏极电流，当第五电力场效应的漏极 电流增大时，第三电力场效应管的源极电压增加，第三电力场效应管的门极和源极的电压 差减少，第三电力场效应管的漏极电流减少，致使三极管的基极和第四电力场效应管的漏 极电流均减少，流过第二十九电阻的电流增加，主电路限流模块中第二电力场效应管的源极电压增加；当第五电力场效应管的漏极电流减少时，第三电力场效应管的源极电压降低， 第三电力场效应管的门极和源极的电压差增大，第三电力场效应管的漏极电流增加，致使 三极管的基极和第三电力场效应管的漏极电流均增加，流过第二十九电阻的电流减少，第 二电力场效应管的源极电压降低；当第二电力场效应管的漏极电流过大时，过流保护模块 中，第二十二电阻两端的电压增加至使第一光耦导通，第二十五电阻、第二十四电阻的分压 作用使晶闸管开通，进而使第二光耦导通，使第一电力场效应管的门极和源极电压差降低 至使其截止，进而使第二电力场效应管的漏极电流截止；同时，方波信号通过多通道D/A转换器的第二输出端输入线圈电流放大单元，经第四 运算放大器进行电压比较后，依次经第三十一电阻、第七电容输出至第六电力场效应管，控 制其导通或截止，进而控制第六电力场效应管的漏极电流；当第六电力场效应管的漏极电 流增加至一定阈值时，第五运算放大器构成的电压比较器输出为负电压的时候，第四运算 放大器输出负电压，使第六电力场效应管截止；当电流截止时，压电驱动式微型电磁机器人 内部的线圈元件的电流通过第三十四电阻、二极管和第八电容进行释放。
全文摘要
本发明提供了一种压电驱动式微型电磁机器人的一体式驱动电源及方法，所述驱动电源包括供电电源、显示单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元，所述供电电源分别与显示单元、微处理器、定时器、多通道D/A转换器、功率放大单元和线圈电流放大单元连接；所述微处理器分别与显示单元、定时器、多通道D/A转换器连接，所述多通道D/A转换器分别与功率放大单元、线圈电流放大单元连接，所述功率放大单元外接压电驱动式微型电磁机器人内部的压电陶瓷致动器，所述线圈电流放大单元外接压电驱动式微型电磁机器人内部的线圈元件。本发明具有设计合理、工作可靠、便于携带等优点。
文档编号B25J7/00GK102049772SQ20101052728
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月31日 优先权日2010年10月31日
发明者张勤, 杜启亮, 田联房, 蓝雪松, 青山尚之 申请人:华南理工大学