本实用新型总体上涉及驱动设备领域，更特别地，涉及一种用于步进式驱动装置的控制系统，其能够通过两个单独的通道对步进式驱动装置中的压电陶瓷模块进行充电和放电，从而大大提高驱动效率。
背景技术：
常见的步进式驱动装置包括步进电机、压电陶瓷驱动装置等，其中压电陶瓷驱动装置利用压电陶瓷的形变来实现驱动，具有步长小、精度高等特点，因此常用于需要精密步进驱动的应用中，并且能够应用于低温、磁场或真空等特殊环境中。
同属于本申请人的2017年12月28日提交的题为“步进式驱动装置和包括该驱动装置的应变施加装置”的中国实用新型专利申请201721879297.9中公开了一种包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置，其能够实现在正反方向上的特定步长连续驱动，具有精度高、驱动距离大等优点。在这样的系统中，需要对压电陶瓷模块进行连续的充放电，以实现连续移动。充电过程可以缓慢进行，以使得压电陶瓷模块缓慢形变，带动动子一起移动；放电过程则需要快速进行，以使得压电陶瓷模块快速恢复至原形或者甚至反向形变，而动子基本不会回撤。这样，即可实现沿一方向的连续移动。
在常规的控制电路中，用同一电源和电路路径对压电陶瓷模块进行充放电操作。当进行快速放电操作时，需要电路承受较大的放电电流，而受到电路的最大承载电流的影响，难以以期望的速度进行放电操作，导致放电效率低下。当压电陶瓷模块的电容较大时，这个问题变得更为严重，驱动效率大大降低。
因此，仍需要一种控制系统，其能够改善包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的驱动效率。
技术实现要素：
本实用新型的一个方面在于提供一种用于包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的控制系统，其能够改善压电陶瓷模块的驱动效率，实现快速稳定的驱动控制。
根据一示例性实施例，提供一种用于步进式驱动装置的控制系统，所述步进式驱动装置包括用于进行驱动的压电陶瓷模组，所述控制系统包括：充电电路，通过第一开关连接到所述压电陶瓷模组以对其进行充电；放电电路，通过第二开关连接到所述压电陶瓷模组以对其进行放电；以及开关控制单元，连接到所述第一开关和所述第二开关，所述开关控制单元配置为控制所述第一开关和所述第二开关的导通和截止，以在充电和放电之间进行切换。
在一些示例中，所述开关控制单元配置为：使所述第一开关导通并且使所述第二开关截止，以使所述充电电路对所述压电陶瓷模组进行充电；以及使所述第一开关截止并且使所述第二开关导通，以使所述放电电路对所述压电陶瓷模组进行放电。
在一些示例中，所述充电电路包括充电电源，其通过所述第一开关连接到所述压电陶瓷模组，所述放电电路包括放电电源，其通过所述第二开关连接到所述压电陶瓷模组。
在一些示例中，所述充电电源包括模拟信号发生器，其生成模拟充电信号以对所述压电陶瓷模组进行充电。
在一些示例中，所述放电电源包括地或者恒压源。
在一些示例中，所述模拟信号发生器生成作为所述模拟充电信号的锯齿波信号。
在一些示例中，所述锯齿波信号包括低电平保持区间、上升沿、高电平保持区间、以及下降沿，所述上升沿的斜率小于所述下降沿的斜率。
在一些示例中，在所述锯齿波信号的上升沿期间，所述第一开关导通并且所述第二开关截止，以由所述锯齿波信号对所述压电陶瓷模组进行充电。在所述锯齿波信号的下降沿期间，所述第一开关截止并且所述第二开关导通，以由所述放电电源对所述压电陶瓷模组进行放电。
在一些示例中，所述充电电源还包括同步信号发生器，其基于所述模拟充电信号生成同步触发信号，且所述开关控制单元基于所述同步触发信号来控制所述第一开关和所述第二开关的导通和截止，以在充电和放电之间进行切换。
在一些示例中，所述充电电路还包括信号放大器，以对来自所述充电电源的充电信号进行放大。
在一些示例中，所述压电陶瓷模组包括多个压电陶瓷模块。
在一些示例中，所述充电电路通过所述第一开关连接到所述多个压电陶瓷模块，或者多个所述充电电路通过相应的多个第一开关分别连接到所述多个压电陶瓷模块。
在一些示例中，所述放电电路通过所述第二开关连接到所述多个压电陶瓷模块，或者多个所述放电电路通过相应的多个第二开关分别连接到所述多个压电陶瓷模块。
在一些示例中，多个所述充电电路通过相应的多个第一开关分别连接到所述多个压电陶瓷模块，多个所述放电电路通过相应的多个第二开关分别连接到所述多个压电陶瓷模块，且所述开关控制单元配置为：在所述锯齿波信号的低电平保持区间，使所述多个第二开关同时或依次截止，并且使所述多个第一开关同时导通，以同时开始对所述多个压电陶瓷模块进行充电，以及在所述锯齿波信号的高电平保持区间，使所述多个第一开关同时或依次截止，并且使所述多个第二开关依次导通，以依次开始对所述多个压电陶瓷模块进行放电。
在一些示例中，所述第一开关包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的漏极连接到所述充电电路，所述第一晶体管的源极连接到所述第二晶体管的源极，所述第二晶体管的漏极连接到所述压电陶瓷模组，所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极接收来自所述开关控制单元的第一控制信号，所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极接收来自所述开关控制单元的第二控制信号，且所述第二开关包括第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管的漏极连接到所述压电陶瓷模组，所述第三晶体管的源极连接到所述第四晶体管的源极，所述第四晶体管的漏极连接到所述放电电路，所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极接收来自所述开关控制单元的第三控制信号，所述第三晶体管和所述第四晶体管的源极接收来自所述开关控制单元的第四控制信号。
在一些示例中，所述开关控制单元包括：控制信号发生器，配置为产生用于控制所述第一开关和所述第二开关的开关控制信号；以及信号中继器，用于对所述开关控制信号进行放大以达到足以驱动所述第一开关和所述第二开关的电压。
本实用新型的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1A示出了包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的侧视透视图；
图1B示出了图1A的步进式驱动装置的端视图；
图2示出了根据本实用新型一示例性实施例的用于步进式驱动装置的控制系统的示意性功能框图。
图3示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统的操作时序图。
图4A和4B分别示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统中的充电电路开关和放电电路开关的示意性电路图。
图5示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统中的开关控制单元的示意性功能框图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1A示出了包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的侧视透视图，图1B示出了其端视图。如图1A和1B所示，步进式驱动装置包括定子10、动子20、以及至少一个压电陶瓷模块30。
定子10可包括开口，动子20安装到定子10的开口中。在另一些实施例中，定子10也可以包括代替开口的滑槽，例如倒梯形形状或其他形状的滑槽，动子20安装到定子10的滑槽中。从而，动子20可以相对于定子10沿第一方向X，即动子20的轴向方向滑动。至少一个压电陶瓷模块30(图1A和图1B中示例性示出了3个)固定到定子10上，并且与动子20接触，压电陶瓷模块30的与动子20接触的表面为摩擦面30'，其沿轴向方向X延伸。当施加有电压信号时，压电陶瓷模块30可产生沿轴向方向X的形变，从而通过摩擦面30'与动子20之间的摩擦力来驱动动子20在轴向方向X上步进移动。应理解，当提及第一方向、轴向方向或X方向等时，除非上下文明确说明，否则即包括其正方向，也包括其反方向。而且，在提及正电压和负电压时，其均是相对而言，而并不局限于正值和负值。
如图1B的端视图所示，定子10在中间形成有沿轴向方向X延伸的柱状空腔10'。动子20设置于定子10的柱状空腔10'内，并且可沿定子10的柱状空腔10'在轴向方向X上移动。多个压电陶瓷模块30设置在定子10的柱状空腔10'的内壁与动子20之间，并且固定到定子10。在图1B的示例中，动子20具有三棱柱形状，每个棱面都是平面，作为滑动面20'。相应地，3个压电陶瓷模块30分别与三个滑动面20'相对地设置于定子10的柱状开口内壁和动子20之间，如此压电陶瓷模块30的摩擦面30'与动子20的滑动面20'相接触但不固连。动子20的三个滑动面20'两两相交形成三棱柱的截面形状，相应地，定子10的柱状空腔10'也可以是大致三棱柱的截面形状，以便与动子20的三个滑动面20'一一对应地间隔布置，从而形成容纳3个压电陶瓷模块30的空间。然而可理解，动子20或者定子10的柱状空腔10'的截面形状不限于此，在合理的形状配合下，只要能够保持动子稳定的轴向运动，而不会发生周向转动即可。换句话说，为了避免其转动，动子20的垂直于轴向的截面形状最好不是圆形，但是可以是例如被切除一部分的圆形或者其他多棱柱形状。
进一步地，在径向方向，由于压电陶瓷模块30接触并且抵靠定子10来压紧动子20，这将使得动子20不能径向晃动，从而保持在整个装置工作的过程中，动子20的移动方向始终沿着轴向方向，而在周向、径向方向均保持稳定，不会产生晃动，以实现精密且稳定的单向步进式驱动。另外，虽然图示并没有给出动子20的固定连接细节，然而本领域技术人员可以理解，动子20除了被定子10和压电陶瓷模块30限制周向和径向移动的同时，也可以在轴向上被定子10和/或压电陶瓷模块30限制其轴向移动的起始位置。例如在一些实施例中，定子10的柱状空腔10'在一端处可包括用于限制动子20的轴向移动的限位部(未示出)，该限位部可限制动子20的轴向移动的起始位置。
下面简要描述压电陶瓷模块30驱动动子20前进的步进式驱动过程的原理。初始时，压电陶瓷模块30接触动子20。此时，可以逐渐向压电陶瓷模块30施加一电压，即向压电陶瓷模块30充电，以使其逐渐产生沿第一方向(即，图1A的X方向)的正方向的第一形变。压电陶瓷模块30通过摩擦力带动动子20沿轴向方向X向前前进一个步距L。在该充电过程期间，压电陶瓷模块30与动子20之间可以基本上是静摩擦，即二者的摩擦面30'和20'之间可以几乎不发生相对移动。可以理解，步距L可根据压电陶瓷堆的材料和尺寸以及所施加的电压的大小来确定。
然后，可以驱动压电陶瓷模块30相对于第一形变的状态产生沿第一方向的反方向的第二形变。第二形变的大小可以任意选择。例如，第二形变的大小可以等于第一形变的大小，使得压电陶瓷模块30从第一形变的状态恢复成原形(如图3所示)；或者，第二形变的大小可以小于第一形变的大小，使得压电陶瓷模块30从第一形变的状态部分恢复至原形；还或者，第二形变的大小可以大于第一形变的大小，使得压电陶瓷模块30从第一形变的状态恢复成原形后，进一步产生沿反方向的形变。可以理解，这可以通过降低驱动电压，对压电陶瓷模块30进行放电来实现，例如可以部分降低驱动电压，将驱动电压降低到零，或者甚至变为反相电压，驱动电压的降低幅度对应于第二形变的大小。在该放电过程中，可以迅速降低施加给压电陶瓷模块30的电压，也就是说，压电陶瓷模块30产生第二形变的速度比上面产生第一形变的速度更快，优选地，压电陶瓷模块产生第二形变的速度远远快于产生第一形变的速度。这样，由于压电陶瓷模块30迅速后撤，其与动子20之间发生滑动摩擦，动子20的后撤距离d小于前进距离L，从而动子20完成了一个步长的向前移动。通过重复上述过程，即可使动子20连续地向前移动。此外，通过与上述过程反相地驱动压电陶瓷模块30，例如向压电陶瓷堆施加反相电压，即可实现动子20的相反方向连续移动，从而实现例如后退过程。
可以理解，压电陶瓷模块30可以为仅一个，即可实现上述驱动过程。在一些实施例中，也可以包括多个压电陶瓷模块30，可以按照上述方法同时驱动这多个压电陶瓷模块30，从而实现上述移动过程。在该情况下，由于多个压电陶瓷模块30同时后撤的速度很快，压电陶瓷模块30与动子20之间的动摩擦力不足以提供给动子20相同的向后的加速度，从而动子20的后撤距离d小于前进步距L，实现了向前移动。在另一些实施例中，也可以在回撤时，逐个回撤各个压电陶瓷模块30，或者依次回撤部分压电陶瓷模块30，从而可以减小甚至消除动子20的回撤距离d，提高动子20的移动效率。具体而言，在压电陶瓷模块30前进时，优选地同时驱动所有多个压电陶瓷模块30产生形变，从而多个压电陶瓷模块30产生很大的静摩擦力合力，带动动子20移动。接着，在后撤时，可以分别驱动各个或者少部分压电陶瓷模块30依次后撤，这样，由于单个或少部分压电陶瓷模块30的摩擦力不足以带动动子20移动，所以动子20将不会后撤，而是保持在原位置处，此时动子20在一个周期中的前进步长就等于向前移动的步距L，从而实现了相对较大的步长。这种控制方式的好处是动子在前进的过程中，不会再有任何后撤的行为，保证了移动方向的稳定性。在多个压电陶瓷模块30依次后撤的方案中，对压电陶瓷模块30的后撤速度并无特定要求，但是优选地，每个压电陶瓷模块30仍以较快的速度后撤，即后撤速度大于其前进速度，以实现高的驱动效率。
上面简要描述了包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的结构和操作原理，该步进式驱动装置的另一些实施例还描述于本申请人于2017年12月28日提交的题为“步进式驱动装置和包括该驱动装置的应变施加装置”的中国实用新型专利申请201721879297.9中，其通过引用全文合并于此。应理解，本领域技术人员可以对该步进式驱动装置进行形式和细节上的许多修改，其并不需要付出创造性的劳动。
通过上面的描述可以理解，在步进式驱动装置的驱动过程中，需要缓慢地对压电陶瓷模块进行充电，但是快速地对压电陶瓷模块进行放电。当进行快速放电操作时，会产生较大的放电电流。在常规的驱动控制模块中，使用同一电源和电路路径来对压电陶瓷模块进行充放电操作。充电时，需要对电压信号进行放大，一般将电压放大到100伏以上，例如200-400伏的范围，以对压电陶瓷模块进行充电。因此，该电路能承载的最大电流有限，这限制了放电操作的速度，难以以期望的速度进行放电，导致放电效率低下。当压电陶瓷模块的电容较大时，这个问题变得更为严重，驱动效率大大降低。
因此，本实用新型还提供一种控制系统，其能够通过单独的通道对压电陶瓷模块进行充电和放电，大大提高了压电陶瓷模块的放电效率，即提高了步进式驱动装置的驱动效率。而且，该控制系统可以控制各个压电陶瓷模块的充放电时序，使得其同时充电，依次放电，从而使步进运动更加稳定，驱动力更强。
图2示出根据本实用新型一示例性实施例的控制系统的结构框图，该控制系统包括单独的充电电路和放电电路，其分别通过相应的开关连接到压电陶瓷模组，从而能够使用分离的通道对压电陶瓷模组进行充放电。
具体而言，如图2所示，充电电路包括充电电源110，其通过第一开关120连接到压电陶瓷模组150；放电电路包括放电电源130，其通过第二开关140连接到压电陶瓷模组150。开关控制单元160可以对第一开关120和第二开关140进行控制，以实现对压电陶瓷模组150的充放电操作的切换，其将在下面进一步详细地描述。
充电电源110可以是例如模拟信号发生器，其可以生成模拟充电信号例如锯齿波信号。利用锯齿波信号的上升沿，可以对压电陶瓷模组150逐渐充电，使其逐渐产生正向形变。在一些实施例中，充电信号可经信号放大器112放大之后，才提供给压电陶瓷模组150。例如，充电电源110生成的充电信号可能只有几个伏特或者十几个伏特的大小，其可以经信号放大器112放大至上百甚至数百伏特，典型地在200伏特至400伏特的范围，然后再提供给压电陶瓷模组150。虽然未示出，但是充电电源110中还可以包括有同步信号发生器，其生成同步触发信号，开关控制单元160可以根据该同步触发信号来控制第一开关120和第二开关140的操作。具体而言，在充电期间，第一开关120导通，第二开关140截止，从而利用充电电源110产生的锯齿波信号的上升沿对压电陶瓷模组150进行充电；在放电期间，第一开关120截止，第二开关140导通，从而放电电源130对压电陶瓷模组150进行放电。应理解，为了避免充电电源110和放电电源130之间的电连接，第一开关120和第二开关140不可同时导通。因此，在实际应用中，一般可以先关闭一开关，然后在预定时间例如若干纳秒之后，再导通另一开关，以实现充放电之间的安全切换。
如上所述，通过单独的电路对压电陶瓷模组进行充放电，并且通过第一开关120和第二开关140来进行充放电的切换。放电电源130可以是地，或者是一恒压源，其提供一比充电电压更小的电压，例如地电压或接近于地电压的一正电压或负电压。利用该单独的放电电路，可以承载较大的放电电流，从而实现对压电陶瓷模组150的快速放电，提高驱动效率。
应理解，压电陶瓷模组150可以包括一个或多个前面描述的压电陶瓷模块30。当包括多个压电陶瓷模块30时，控制系统100可包括一个图2所示的充电电路，其通过第一开关120连接到多个压电陶瓷模块30以对其同时进行充电。控制系统100也可以包括多个图2所示的充电电路，其通过相应的多个第一开关120分别连接到多个压电陶瓷模块30。当然，如前所述优选地，可以通过控制多个第一开关120同时导通以同时对多个压电陶瓷模块30进行充电，以使其同时形变，从而增大驱动力。
当压电陶瓷模组150包括多个压电陶瓷模块30时，类似地，控制系统100可包括一个图2所示的放电电路，其通过第二开关140连接到多个压电陶瓷模块30以对其同时进行放电。控制系统100也可以包括多个图2所示的放电电路，其通过相应的多个第二开关140分别连接到多个压电陶瓷模块30。当然，如前所述优选地，可以通过控制多个第二开关140依次导通以依次对多个压电陶瓷模块30进行放电，以使其依次回撤，从而减小或避免动子20的回撤。
可以理解，充电电路和放电电路的各种设置可以彼此组合。例如，可以包括一个充电电路和一个放电电路、一个充电电路和多个放电电路、多个充电电路和一个放电电路、或者多个充电电路和多个放电电路。多个充电电路和多个放电电路是优选的，其可以实现对压电陶瓷模组150中的多个压电陶瓷模块30的灵活驱动。例如，可以使多个第二开关140截止，并且使多个第一开关120同时导通，以同时对多个压电陶瓷模块30进行充电，并且可以使多个第一开关120截止，并且使多个第二开关140依次导通，以依次对多个压电陶瓷模块30进行放电。
图3示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统100的操作时序图。如图3所示，充电电源110产生的充电信号Vc为锯齿波信号，其每个周期包括低电平保持区间p1、上升沿p2、高电平保持区间p3、以及下降沿p4。如前所述，上升沿p2可以缓慢上升，以使各个压电陶瓷模块30逐渐正向形变。下降沿p4可以比上升沿p2陡峭得多，或者说，下降沿p4的斜率远大于上升沿p2的斜率。充电电源110中的同步信号发生器还基于充电信号Vc产生同步信号Vt，如前所述，同步信号Vt用于使开关控制单元160与充电信号Vc同步地控制充电开关120和放电开关140。在图3所示的示例中，在充电信号Vc的低电平保持区间p1的末端(即上升沿p2的起始点)触发同步信号Vt，但是应理解，也可以在其他时刻触发同步信号Vt，例如在低电平保持区间p1期间、上升沿p2的末端、高电平保持区间p3期间等。
开关控制单元160基于同步信号Vt来控制开关控制信号的时序。如图3所示，在充电信号Vc的上升沿p2期间，充电开关控制信号Vcs保持为高电平以使第一开关120导通，放电开关控制信号Vds1保持为低电平以使第二开关140截止，从而对压电陶瓷模组150进行充电。在充电信号Vc的下降沿p4期间，充电开关控制信号Vcs保持为低电平以使第一开关120截止，放电开关控制信号Vds1保持为高电平以使第二开关140导通，从而对压电陶瓷模组150进行放电。应理解，这里的高低电平仅是示例，取决于开关的类型和属性(高电平导通还是低电平导通)，开关控制信号的高低电平可以互换，或者，当充电开关(第一开关)120和放电开关(第二开关)140的类型彼此相反时，充电开关控制信号Vcs和放电开关控制信号Vds1可以同时保持为高电平或低电平。此外，充电开关控制信号Vcs和放电开关控制信号Vds1的高低电平转换可以在充电信号Vc的低电平保持区间p1和高电平保持区间p3期间完成，而不限于在上升沿p2的起始点和末端处。
当压电陶瓷模组150包括多个压电陶瓷模块30时，可能需要使多个压电陶瓷模块30依次放电回撤，而不是同时放电回撤。此时，开关控制单元160可以产生多个放电开关控制信号，例如信号Vds1和Vds2，其上升沿可以在不同时刻，以使多个放电开关140依次打开，以依次开始对多个压电陶瓷模块30进行放电。图3示出了多个放电开关控制信号Vds1、Vds2的下降沿位于同一时刻，但是其也可以位于低电平保持区间p1内的不同时刻，只要保证在上升沿p1开始时，即充电开始时，所有放电开关140都截止即可。类似地，虽然图3未示出，但是开关控制单元160也可以产生多个充电开关控制信号Vcs。优选地，多个充电开关控制信号Vcs的上升沿位于低电平保持区间p1末端的同一时刻，以同时开始对多个压电陶瓷模块30进行充电，并且多个充电开关控制信号Vcs的下降沿可以位于高电平保持区间p3内的相同或不同时刻，以同时或依次结束对多个压电陶瓷模块30的充电。
简言之，在锯齿波信号的低电平保持区间p1期间，多个放电开关140可以同时或依次截止，并且在所有放电开关140都截止后，多个充电开关120可同时导通，以同时开始对多个压电陶瓷模块30进行充电。在锯齿波信号的高电平保持区间p3期间，多个充电开关120可以同时或依次截止，并且多个放电开关140可依次导通，以依次开始对多个压电陶瓷模块30进行放电。
图4A和4B分别示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统100中的充电电路开关120和放电电路开关140的示意性电路图。如图4A所述，充电电路开关120包括两个晶体管121a和121b，其可以是例如三极管、场效应管等。两个晶体管121a和121b彼此反向串联连接，第一晶体管121a的漏极D用作开关120的输入端IN，第一晶体管121a的源极S连接到第二晶体管121b的源极S，第二晶体管121b的漏极D用作开关120的输出端OUT。应理解，开关120的输入IN和输出OUT是可以互换使用的。在图4A的示例中，开关120的输入IN可用于接收来自充电电源110的(经信号放大器112放大了的)充电信号，开关120的输出OUT可连接到压电陶瓷模组150。
继续参照图4A，开关120还包括用于控制第一和第二晶体管121a和121b的控制总线125。控制总线125的输入线束126可连接到开关控制单元160以接收来自其的控制信号，这里为两个控制信号Vg和Vs，其用于控制第一和第二晶体管121a和121b的栅极电压Vg和源极电压Vs，从而控制其导通和截止。输入线束126中的Vg信号线和Vs信号线经可选的集线器124之后，Vs信号线可直接连接到第一和第二晶体管121a和121b的源极S，Vg信号线可经一节点分成三路，其中一路经第一电阻器122a连接到第一晶体管121a的控制端，即栅极G，一路经第三电阻器122c连接到第二晶体管121b的控制端G，一路经串联连接的二极管123和第二电阻器122b连接到第一和第二晶体管121a和121b的源极S。第一、第二和第三电阻器122a、122b和122c的电阻可以彼此相同，也可以彼此不同。二极管123可以是发光二极管或普通二极管，其输入连接到开关控制电路160一侧，输出连接到源极S一侧，以用于保护开关控制电路160。当使用发光二极管时，还可以通过其发光状态开判断开关120是否正常运行。
图4B所示的放电电路开关140与图4A所示的充电电路开关120基本相同。具体而言，放电电路开关140包括第三和第四晶体管141a和141b，其可以是例如三极管、场效应管等。第三和第四晶体管141a和141b彼此反向串联连接，第三晶体管141a的漏极D用作开关140的输入端IN，第三晶体管141a的源极S连接到第四晶体管141b的源极S，第四晶体管141b的漏极D用作开关140的输出端OUT。应理解，开关140的输入IN和输出OUT是可以互换使用的。在图4B的示例中，开关140的输入IN可连接到压电陶瓷模组150，输出OUT可连接到放电电源130。
继续参照图4B，开关140还包括用于控制第三和第四晶体管141a和141b的控制总线145。控制总线145的输入线束146可连接到开关控制单元160以接收来自其的控制信号，这里为两个控制信号Vg和Vs，其用于控制第三和第四晶体管141a和141b的栅极电压Vg和源极电压Vs，从而控制其导通和截止。输入线束146中的Vg信号线和Vs信号线经可选的集线器144之后，Vs信号线可直接连接到第一和第二晶体管121a和121b的源极S，Vg信号线可经一节点分成三路，其中一路经第四电阻器142a连接到第三晶体管141a的控制端，即栅极G，一路经第六电阻器142c连接到第四晶体管141b的控制端G，一路经串联连接的二极管143和第五电阻器142b连接到第三和第四晶体管141a和141b的源极S。第三、第四和第五电阻器142a、142b和142c的电阻可以彼此相同，也可以彼此不同。二极管143可以是发光二极管或普通二极管，其输入连接到开关控制电路160一侧，输出连接到源极S一侧，以用于保护开关控制电路160。当使用发光二极管时，还可以通过其发光状态开判断开关140是否正常运行。
上面描述了充电开关120和放电开关140的具体电路结构。如前所述，在充电开关120和放电开关140每个中，都包括反向串联连接的两个晶体管。通过这种电路，可以避免每个开关的反向导通，从而将充电电路和放电电路彼此完全隔离开，防止充电信号到达放电电源130，或者防止放电信号到达充电电源110。而且，上述结构的开关120和140可以实现高速操作，从而在充电和放电之间高速切换，确保高的驱动效率。
图5示出了根据本实用新型一示例性实施例的控制系统100中的开关控制单元160的示意性功能框图。如图5所示，开关控制单元160可包括控制信号发生器161和信号中继模块162。控制信号发生器161可在开关控制单元160的输入端口IN上接收来自充电电源110的同步信号，并且基于该同步信号产生用于各个充电和放电开关的控制信号。这里，以一个充电开关120和一个放电开关140为例，仅示出了4路控制信号，其中每两路控制信号用于控制一个开关的导通和截止。来自控制信号发生器161的各路控制信号经线束提供给信号中继模块162。在中继模块162中，线束经集线器163之后分散成4路，分别连接到信号中继器164的4个输入端口C1、C2、C3和C4。信号中继器164可从外部接收电源Vcc，对输入信号进行放大，以达到能够驱动各个开关的电压，然后将放大后的信号经各个输出端口C5、C6、C7和C8输出。用于控制各个开关的信号线路经集线器165和166形成线束后，连接到相应的开关。应理解，在上述说明中，各个集线器只是示例，也可以不存在集线器，而是信号线直接汇集成束后，引出到各个器件外。
如上所述，控制系统100可以为压电陶瓷模组150中的各个压电陶瓷模块30提供单独的充电电路和放电电路，从而放电电路能够承载更大的放电电流，使得放电操作能够更快地进行，从而提高了驱动效率。而且，利用本实用新型的开关电路，能够快速地在充放电之间进行切换，并且将充电信号与放电信号完全隔离开，确保了驱动控制的正常稳定进行。
还应理解，为了公开的彻底和完整，这里描述了包括压电陶瓷模块的步进式驱动装置的实施例，但是应理解，本实用新型的控制系统不仅可用于这种结构的压电陶瓷步进式驱动装置中，还可以应用于其他结构的压电陶瓷模块的步进式驱动装置中，都可以通过为压电陶瓷模块提供单独的充放电路径来改善压电陶瓷模块的驱动效率。
以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。