一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，控制模块信号输出端接功率放大器的正向端，功率放大器的信号输出端接压电陶瓷，压电陶瓷接有精密电容，其特征在于:精密电容的一端和压电陶瓷的一端与分别连接误差积分运算放大器的输入端，误差积分运算放大器的输出端接功率放大器的负向端。
【专利说明】一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源。
【背景技术】
[0002] 随着科技的不断发展，人们研究的操作对象深入到微观领域。压电陶瓷具有体积 小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点，是一种理想的微驱动元件。压电陶瓷驱 动器应用到很多微观领域，比如聚合物、生物细胞的各种操作，微型机电系统的制造与检 测，超精密机械加工，大规模集成电路的生产，微外科手术，扫描探针显微镜（SPM)系统，光 纤对接，半导体制版的精密定位等。压电陶瓷的高动态性能，在很大程度上依赖于驱动电源 的性能，例如压电陶瓷驱动电源的响应速度、输出有效带宽、稳定性、带负载能力等。目前， 压电陶瓷驱动电源应用较多的是电压型的控制方式。电压控制方式的压电陶瓷驱动电源静 态或者低频特性较好，在静态或低频环境下的应用较多，但其有效带宽很窄，只有几千赫兹 左右，在高动态应用场合下无法满足要求。传统的电荷型压电陶瓷驱动电源虽然在一定程 度上能够满足要求，但存在严重的漏电流，压电陶瓷负载始终处于浮地状态，不仅对典型接 地型负载的应用造成了很大困难，而且也限制了驱动电源的动态特性。因此，针对压电陶瓷 驱动电源的高动态应用场合，解决电荷控制型驱动电源的漏电流影响和提高其有效带宽是 亟待解决的技术问题。
[0003] 沈阳新松机器人自动化股份有限公司发明的压电陶瓷驱动电源，采用高压集成运 算放大器进行电压和功率放大，相对于采用分离元件来说，提高了系统的集成度和可靠性， 降低了系统性能的离散型和不确定性。中国科学院上海光学精密机械研究所发明的压电陶 瓷驱动电源，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。广西大学的数控电位器调节的压电陶瓷驱动电源，可实现 对电压精密控制，输出电压稳定，分辨率可自由扩展，静态功耗小等特点。前述各技术方案 都存在以漏电流大、动态特性差、.输出带宽低等问题。
[0004] 基于以上各解决方案所存在的缺陷和不足，本团队提供一种输出电压稳定、有效 频带宽、能满足高动态应用场合的电荷控制型压电陶瓷驱动电源。
【发明内容】
[0005] 本实用新型目的在于提供一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，能够有效降低漏 电电流，提高压电陶瓷的定位精度，且输出电压稳定、有效频带宽，能够满足高动态应用场 合。
[0006] 实现本实用新型目的技术方案：
[0007] -种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，控制模块信号输出端接功率放大器的正向 端，功率放大器的信号输出端接压电陶瓷，压电陶瓷接有精密电容，其特征在于：精密电容 的一端和压电陶瓷的一端与分别连接误差积分运算放大器的输入端，误差积分运算放大器 的输出端接功率放大器的负向端。
[0008] 精密电容接平衡补偿电阻，平衡补偿电阻满足下式，
[0009] Rc * Cc = Rp · Cp
[0010] 式中，Rc表示平衡补偿电阻，Rp表示压电陶瓷等效电阻；
[0011] Cc表示精密电容，Cp表示压电陶瓷等效电容。
[0012] 压电陶瓷一端接地，一端接精密电容；精密电容的另一端接功率放大器的信号输 出端。
[0013] 功率运算放大器选用高压M0SFET运算放大器。
[0014] 精密电容选用金属聚碳酸酯精密电容。
[0015] 误差积分器选用0PA603高速运算放大器。
[0016] 本实用新型具有的有益效果：
[0017] 本实用新型利用压电陶瓷位移与其所带自由电荷成线性关系的原理，通过控制施 加在压电陶瓷两端的充电电荷以实现线性控制压电陶瓷位移。理想情况下压电陶瓷的电荷 量与精密电容的电荷量相等，但由于压电陶瓷漏电流的影响，即使增加了平衡电阻补偿，但 仍有漏电流的存在，导致压电陶瓷与精密电容两端的电荷量不相等，从而压电陶瓷定位精 度不准确。为了更大程度地减小漏电流，本实用新型分别引出压电陶瓷的一端与精密电容 的一端，并将其连接到误差积分运算放大器。误差积分运算放大器始终在比较压电陶瓷两 端电荷量与精密电容两端的电荷量的大小，将得到的电荷量之差反馈到功率放大器的负向 端，进行适时地调节，达到维持压电陶瓷两端电荷量与精密电容两端电荷量基本一致的目 的，从而有效提1?压电陶瓷的定位精度。
[0018] 本实用新型平衡补偿电阻满足下式，能够有效提高压电陶瓷驱动电源的低频特 性。
[0019] Rc * Cc = Rp · Cp
[0020] 式中，Rc表示平衡补偿电阻，Rp表示压电陶瓷等效电阻；
[0021] Cc表示精密电容，Cp表示压电陶瓷等效电容。
[0022] 由于压电陶瓷与反馈电容（精密电容）的电荷量一致，本实用新型将压电陶瓷与 反馈电容互换位置，将压电陶瓷一端接地。驱动电源可以直接驱动接地型压电陶瓷负载，也 可以应用在典型的压电陶瓷定位系统中。
[0023] 本实用新型误差积分器必须选择高速运算放大器，否则不仅存在明显的滞后影 响，而且信号很容易失真。误差积分器选择0PA603高速运算放大器，其转换率高达1000V/ μ S，可以满足要求。功率运算放大器选用高压M0SFET运算放大器，输出电流达4A，单端供 电时最高输出电压可达400V，双端供电时最高输出电压可达± 200V，补偿电容在10pF时转 换率可达50V/US，可以满足要求。精密电容选取金属聚碳酸酯精密电容，其等效电阻比压电 陶瓷的等效电阻大很多，因此精密电容的漏电流相对压电陶瓷的漏电流小很多，低性能要 求情况下甚至可以忽略。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本实用新型电路原理图；
[0025] 图2是luF压电陶瓷负载时动态特性曲线一示意图；
[0026] 图3是luF压电陶瓷负载时动态特性曲线二示意图；
[0027] 图4是luF压电陶瓷负载时动态特性曲线三示意图；
[0028] 图5是0. 22uF压电陶瓷负载时动态特性曲线一示意图；
[0029] 图6是0. 22uF压电陶瓷负载时动态特性曲线二示意图；
[0030] 图7是1. 8uF压电陶瓷微工作台重复定位情况图。
【具体实施方式】
[0031] 如图1所示，控制模块信号输出端VIN接功率放大器A的正向端，其中控制模块由 上位机、MCU、DA转换器组成，此为现有技术，功率运算放大器A选用高压M0SFET运算放大 器，其中输出端接有场效应晶体管Ql、Q2、Q3、Q4,型号是2N4416,用于输入保护。功率放大 器A的信号输出端接精密电容Cc，精密电容Cc选用金属聚碳酸酯精密电容，精密电容Cc 的另一端接压电陶瓷Cp，压电陶瓷Cp的一端接地。精密电容Cc的一端和压电陶瓷Cp的一 端与分别连接误差积分运算放大器的输入端，误差积分器选用0PA603高速运算放大器，误 差积分运算放大器的输出端接功率放大器A的负向端。精密电容Cc接平衡补偿电阻Rc，平 衡补偿电阻满足下式，
[0032] Rc * Cc = Rp · Cp
[0033] 式中，Rc表示平衡补偿电阻，Rp表示压电陶瓷等效电阻；
[0034] Cc表示精密电容，Cp表示压电陶瓷等效电容。
[0035] 理想情况下压电陶瓷Cp的电荷量与精密电容Cc的电荷量相等，但由于压电陶瓷 Cp漏电流的影响，即使增加了平衡电阻补偿，但仍有漏电流的存在，导致压电陶瓷与精密电 容两端的电荷量不相等，从而压电陶瓷定位精度不准确。为了更大程度地减小漏电流，本实 用新型分别引出压电陶瓷Cp的一端与精密电容Cc的一端，并将其连接到误差积分运算放 大器0PA603。误差积分运算放大器0PA603始终在比较压电陶瓷Cp两端电荷量与精密电 容Cc两端的电荷量的大小，将得到的电荷量之差反馈到功率放大器A的负向端，进行适时 地调节，达到维持压电陶瓷Cp两端电荷量与精密电容Cc两端电荷量基本一致的目的，从而 有效提高压电陶瓷的定位精度。
[0036] 下面结合性能测试进一步说明本实用新型的有益效果。对本实用新型高动态电荷 型压电陶瓷驱动电源进行了性能测试，曲线1是输入控制正弦信号，曲线2是压电陶瓷两 端输出信号。luF压电陶瓷负载，输入信号峰峰值为500mV，输入信号频率从50Hz、5KHz到 23KHz的动态特性曲线见图2、3、4。压电陶瓷两端输出电压近似为输入控制电压的22倍。 可以看出，压电陶瓷两端输出电压可以跟随输入控制信号，其峰峰值近似1IV，相位几乎没 有偏移，低频动态特性良好，在不影响信号失真的情况下输出信号频率最大能达到23KHz。
[0037] 0. 22uF压电陶瓷负载，输入信号峰峰值为200mV，频率为10KHz、50KHz的测试见图 5、6所示，压电陶瓷两端输出电压近似为输入控制电压的100倍。可以看出，电容两端输出 信号能较好地动态跟随输入控制信号，其峰峰值近似20V，相位几乎没有偏移。将控制正弦 信号频率增加到50KHz时，峰峰值缩减到10V左右。若在高动态应用中控制对象只对频率 有较高要求的情况下，仍可以使用高动态电荷型压电陶瓷驱动电源。
[0038] 压电陶瓷等效电容约为1.8uF的压电陶瓷微工作台，输入控制信号峰峰值从 500mV逐步到3V，再从3V到500mV时，测量压电陶瓷的位移情况，如图7所示压电陶瓷重复 定位情况。可以看出，线性度非常好，误差在1%以内。
【权利要求】
1. 一种高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，控制模块信号输出端接功率放大器的正向 端，功率放大器的信号输出端接压电陶瓷，压电陶瓷接有精密电容，其特征在于：精密电容 的一端和压电陶瓷的一端与分别连接误差积分运算放大器的输入端，误差积分运算放大器 的输出端接功率放大器的负向端。
2. 根据权利要求1所述的高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，其特征在于：精密电容接 平衡补偿电阻，平衡补偿电阻满足下式， Rc · Cc = Rp · Cp 式中，Rc表示平衡补偿电阻，Rp表示压电陶瓷等效电阻； Cc表示精密电容，Cp表示压电陶瓷等效电容。
3. 根据权利要求2所述的高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，其特征在于：压电陶瓷一 端接地，一端接精密电容；精密电容的另一端接功率放大器的信号输出端。
4. 根据权利要求3所述的高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，其特征在于：功率运算放 大器选用高压MOSFET运算放大器。
5. 根据权利要求4所述的高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，其特征在于：精密电容选 用金属聚碳酸酯精密电容。
6. 根据权利要求5所述的高动态电荷型压电陶瓷驱动电源，其特征在于：误差积分器 选用0PA603高速运算放大器。
【文档编号】H02N2/06GK203896217SQ201420329860
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】汝长海, 庞明, 王勇 申请人:哈尔滨工程大学