一种压电作动器的高频高效驱动控制器

1.本发明涉及压电作动器的驱动电路，尤其涉及一种压电作动器的高频高效驱动控制器。


背景技术：

2.以压电陶瓷为核心的压电作动器因具有精度高、响应速度快、不受电磁干扰等优势得到广泛使用，其中一项重要应用是对机械结构进行减振抑振，即压电作动器根据机械结构振动状态输出幅值相同、相位相反的位移，抵消机械结构的振动。
3.根据压电作动器机械结构的不同，可将压电作动器分成直动式作动器、超声波式作动器、尺蠖式作动器和惯性式作动器，其基本原理都是逆压电效应，即压电陶瓷的输出位移随输入电压变化。由压电作动器的运行原理可知，压电作动器驱动电源的性能直接决定压电作动器输出性能，进而影响减振效果。
4.现有的驱动拓扑主要分为电荷式和电压式两种。传统的电荷式驱动器本质上是电流串联负反馈电路，电荷式驱动器存在电荷泄露问题，导致作动器定位不稳定，在高频输出时不稳定现象更为明显；电压式驱动器分为线性驱动电路和开关型驱动电路，不存在电荷泄露问题，线性驱动电路输出线性度高，但是发热严重，体积和重量较大，开关型驱动电路损耗小，但是开关动作不可避免地引入纹波，影响输出精度。使用宽禁带功率器件可以有效提升开关速度，减小开关损耗，但是没有从原理上消除开关动作带来的谐波，而且随着开关频率的提升，会带来较为严重的电磁干扰，对控制系统中的检测电路、调理电路、信号转换电路等造成不利影响。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题的至少一个，本发明提供一种压电作动器的高频高效驱动控制器。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.本发明的实施例提供了一种压电作动器的高频高效驱动控制器，包括：
8.功率驱动模块，用于产生线性驱动信号，以驱动压电作动器动作；
9.电流检测模块，用于获取所述功率驱动模块的输出电流；
10.振动检测模块，用于获取待减振机械结构的振动状态信号；
11.数字控制模块，用于基于所述功率驱动模块的输出电流和所述振动状态信号，产生控制信号；
12.其中，所述功率驱动模块包括线性功率放大器；所述线性功率放大器的输入信号为所述控制信号，输出产生所述线性驱动信号。
13.作为可选的实施方式，所述驱动控制器，还包括：
14.实时跟随供电模块，用于向所述功率驱动模块提供供电电压，所述供电电压根据所述功率驱动模块的需求实时改变。
15.作为可选的实施方式，所述数字控制模块包括：
16.模数转换电路，用于接收所述功率驱动模块的输出电流和所述振动状态信号，并将所述功率驱动模块的输出电流和所述振动状态信号转换为数字信号；
17.数字控制电路，与所述模数转换电路的输出端相连，用于接收所述数字信号，并基于所述数字信号生成所述功率驱动模块所需的输入电压值；
18.数模转换电路，与所述数字控制电路的输出端相连，用于接收所述输入电压值，并将所述输入电压值转换为模拟信号；所述数模转换电路的输出端与所述功率驱动模块的输入端相连。
19.作为可选的实施方式，所述驱动控制器，还包括：
20.电压检测模块，用于获取所述功率驱动模块的输出电压；
21.pi调节模块，用于基于所述功率驱动模块的输出电压，获取pwm控制信号；
22.所述供电电压根据所述功率驱动模块的需求实时改变，包括：
23.所述实时跟随供电模块根据所述pwm控制信号，实时改变其输出的供电电压的电压值。
24.作为可选的实施方式，所述数字控制模块还包括：隔离电路，所述数模转换电路的输出端通过所述隔离电路与所述功率驱动模块的输入端相连。
25.作为可选的实施方式，所述实时跟随供电模块包括正供电电路；
26.所述正供电电路包括：由第一开关电路和第二开关电路并联构成的正开关电路，所述正开关电路的电源输出端经由第一电容接地，所述正开关电路的电源输入端经由第二电容接地；
27.所述第一开关电路包括第一开关、第二开关和第一电感，所述第一开关和所述第二开关串联，所述第一电感的一端连接于所述第一开关和第二开关的连接点；
28.所述第二开关电路包括第三开关、第四开关和第二电感，所述第三开关和所述第四开关串联，所述第二电感的一端连接于所述第三开关和第四开关的连接点；
29.所述第一电感的另一端与所述第二电感的另一端相连作为所述正开关电路的电源输出端；
30.所述第一开关和所述第三开关相连作为所述正开关电路的电源输入端。
31.作为可选的实施方式，所述实时跟随供电模块包括负供电电路；
32.所述负供电电路包括：由第三开关电路和第四开关电路并联构成的负开关电路，所述负开关电路的电源输出端经由第三电容接地，所述负开关电路的电源输入端经由第四电容接地；
33.所述第三开关电路包括第五开关、第六开关和第三电感，所述第五开关和所述第六开关串联，所述第三电感的一端连接于所述第五开关和第六开关的连接点；
34.所述第四开关电路包括第七开关、第八开关和第四电感，所述第七开关和所述第八开关串联，所述第四电感的一端连接于所述第七开关和第八开关的连接点；
35.所述第三电感的另一端与所述第四电感的另一端相连作为所述负开关电路的电源输出端；
36.所述第五开关和所述第七开关相连作为所述负开关电路的电源输入端。
37.作为可选的实施方式，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开
关分别为：第一mosfet、第二mosfet、第三mosfet和第四mosfet；
38.所述第一mosfet的栅极、所述第二mosfet的栅极、所述第三mosfet的栅极、以及所述第四mosfet的栅极分别与所述pi调节模块的输出端相连；
39.所述第一开关和所述第三开关相连作为所述正开关电路的电源输入端，包括：所述第一mosfet的漏极与所述第三mosfet的漏极相连作为所述正供电电路的输入端与正电源相连；
40.所述第一开关和所述第二开关串联，所述第一电感的一端连接于所述第一开关和第二开关的连接点，包括：所述第一mosfet的源极与所述第二mosfet的漏极以及所述第一电感的一端相连，所述第二mosfet的源极接地；
41.所述第三开关和所述第四开关串联，所述第二电感的一端连接于所述第三开关和第四开关的连接点，包括：所述第三mosfet的源极与所述第四mosfet的漏极以及所述第二电感的一端相连，所述第四mosfet的源极接地。
42.作为可选的实施方式，所述实时跟随供电模块包括负供电电路；
43.所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关和所述第八开关分别为：第五mosfet、第六mosfet、第七mosfet和第八mosfet；
44.所述第五mosfet的栅极、所述第六mosfet的栅极、所述第七mosfet的栅极、以及所述第八mosfet的栅极分别与所述pi调节模块的输出端相连；
45.所述第五开关和所述第七开关相连作为所述负开关电路的电源输入端，包括：所述第五mosfet的漏极与所述第七mosfet的漏极相连作为所述负供电电路的输入端与负电源相连；
46.所述第五开关和所述第六开关串联，所述第三电感的一端连接于所述第五开关和第六开关的连接点，包括：所述第五mosfet的源极与所述第六mosfet的漏极以及所述第三电感的一端相连，所述第六mosfet的源极接地；
47.所述第七开关和所述第八开关串联，所述第四电感的一端连接于所述第七开关和第八开关的连接点，包括：所述第七mosfet的源极与所述第八mosfet的漏极以及所述第四电感的一端相连，所述第八mosfet的源极接地。
48.作为可选的实施方式，所述功率驱动模块包括：多个并联的线性功率放大器。
49.和现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
50.本发明的实施例通过获取功率驱动模块的输出电流和待减振机械结构的振动状态信号，进而生成控制信号，并基于所述控制信号，利用线性功率放大器输出线性驱动信号，保证驱动控制器具有较高的输出线性度。
附图说明
51.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
52.图1为本发明的电路原理示意框图；
53.图2为本发明的线性功率放大器的数量为两个时的电路原理结构示意图；
54.图3为本发明的实时跟随供电模块的电路原理结构示意图；
55.图4为本发明的线性功率放大器的数量为两个时的功率驱动模块的电路原理结构示意图。
具体实施方式
56.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
57.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
58.需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的服务器执行，且下文均以服务器或计算机等电子设备作为执行主体为例进行说明。
59.参照图1和图2，本发明的实施例提供了一种压电作动器的高频高效驱动控制器，包括：
60.功率驱动模块，用于产生线性驱动信号，以驱动压电作动器动作；
61.电流检测模块，用于获取功率驱动模块的输出电流；
62.振动检测模块，用于获取待减振机械结构的振动状态信号；
63.数字控制模块，用于基于功率驱动模块的输出电流和振动状态信号，产生控制信号；
64.其中，功率驱动模块包括线性功率放大器；线性功率放大器的输入信号为控制信号，输出产生线性驱动信号。
65.本实施例通过获取功率驱动模块的输出电流和待减振机械结构的振动状态信号，通过数控制模块生成控制信号，并基于控制信号，利用线性功率放大器输出线性驱动信号，保证驱动控制器具有较高的输出线性度。
66.作为本实施例的优选实施方式，线性功率放大器可选用apex公司的pa93型号放大器，具有线性度高和输出电流大的特点；电流检测模块的电流传感器可采用lem公司的dhab a/14型号的传感器，其测量精度高，响应快，振动检测mook的振动传感器可选用te公司的ldt0
‑
028k/l型号的传感器，精度可达到50
‑
800mv/g。
67.参照图2，作为可选的实施方式，数字控制模块包括：
68.模数转换电路，用于接收功率驱动模块的输出电流和振动状态信号，并将功率驱动模块的输出电流和振动状态信号转换为数字信号；
69.数字控制电路，与模数转换电路的输出端相连，用于接收数字信号，并基于数字信号生成功率驱动模块所需的输入电压值；数字控制电路以数字信号处理器(digital signal processing，dsp)为主控制器；数字信号控制电路根据振动状态信息获取线性功率放大器所需输入信号，同时根据功率驱动模块的输出电流控制线性功率放大器的输出均流；作为本实施例的优选方案，数字信号处理器可选用tms320f28335型号，具有150mhz的主频，32位浮点处理单元，功率小，外设丰富；
70.数模转换电路，与数字控制电路的输出端相连，用于接收输入电压值，并将输入电压值转换为模拟信号；数模转换电路的输出端与功率驱动模块的输入端相连；作为本实施
例的优选方案，数模转换电路的数模转换器可选用14位ad7835数模转换新品；
71.隔离电路，数模转换电路的输出端通过隔离电路与功率驱动模块的输入端相连，隔离电路将功率驱动模块和数字控制模块隔离，保证电路的安全。
72.参照图1和图2，作为优选的实施方式，压电作动器的高频高效驱动控制器，还包括：
73.实时跟随供电模块，用于向功率驱动模块提供供电电压，供电电压根据功率驱动模块的需求实时改变；
74.电压检测模块，用于获取功率驱动模块的输出电压；
75.pi调节模块，用于基于功率驱动模块的输出电压，获取pwm控制信号；
76.供电电压根据功率驱动模块的需求实时改变，包括：
77.实时跟随供电模块根据pwm控制信号，实时改变其输出的供电电压的电压值。
78.参照图2，本实施例中，供电电源包括正负对称的正直流稳压电源v
cc
+和负直流稳压电源v
cc
‑
，相对应的，实时跟随供电模块向功率驱动模块提供供电电压也包括正供电电压v
s
+和负供电电压v
s
‑
；
79.本发明的实施例通过实时跟随供电模块，将传统的恒定直流供电方式变成实时跟随供电模式，通过电压检测电路反馈线性功放的输出电压，并基于输出电压获取实时跟随供电的给定电压；给定电压包括正给定电压v1和负给定电压v2。
80.pi调节模块将实时跟随供电模块当前输出电压与给定电压进行比较，然后通过pi调节器产生pwm波控制开关器件的通断，使得向控制功率放大器输入的供电电压v
s
+和负供电电压v
s
‑
跟随功放的输出实时变化，保证功放一直工作在输出最大不失真电压的状态，从而有效减小了功放电路的功率损耗。完成实时跟随供电；从而在保证线性功率放大器一直工作在不失真的状态的前提下，降低损耗，以克服线性功率放大器损耗较大的问题。
81.参照图2和图3，作为本实施例可选的实施方式，实时跟随供电模块包括正负对称的正供电电路和负供电电路；
82.正供电电路包括：由第一开关电路和第二开关电路并联构成的正开关电路，正开关电路的电源输出端经由第一电容c1接地，正开关电路的电源输入端经由第二电容c2接地；
83.第一开关电路包括第一开关s1、第二开关s2和第一电感l1，第一开关s1和第二开关s2串联，第一电感l1的一端连接于第一开关s1和第二开关s2的连接点；
84.第二开关电路包括第三开关s3、第四开关s4和第二电感l2，第三开关s3和第四开关s4串联，第二电感l2的一端连接于第三开关s3和第四开关s4的连接点；
85.第一电感l1的另一端与第二电感l2的另一端相连作为正开关电路的电源输出端；
86.第一开关s1和第三开关s3相连作为正开关电路的电源输入端。
87.负供电电路包括：由第三开关电路和第四开关电路并联构成的负开关电路，负开关电路的电源输出端经由第三电容c3接地，负开关电路的电源输入端经由第四电容c4接地；
88.第三开关电路包括第五开关s5、第六开关s6和第三电感l3，第五开关s5和第六开关s6串联，第三电感l3的一端连接于第五开关s5和第六开关s6的连接点；
89.第四开关电路包括第七开关s7、第八开关s8和第四电感l4，第七开关s7和第八开
关s8串联，第四电感l4的一端连接于第七开关s7和第八开关s8的连接点；
90.第三电感l3的另一端与第四电感l4的另一端相连作为负开关电路的电源输出端；
91.第五开关s5和第七开关s7相连作为负开关电路的电源输入端。
92.本实施例的正供电电路和负供电电路组成了交错并联的buck(降压式变换)电路，线性功率放大器的正供电输入端输入的正供电电压为v
s
+，负供电输入端输入的负供电电压v
s
‑
；实时跟随供电模块的工作过程如下：
93.功率驱动模块输出正电压时，由正直流稳压电源v
cc
+供电，当输出正向电压上升时，第一开关s1、第三开关s3交错导通，第二开关s2、第四开关s4互补导通，进行续流，电流由第一开个s1、第三开关s3交替经过第一电感l1和第二电感l2，流向第一电容c1，当输出正向电压下降时，第二开关s2、第四开关s4交错导通，第一开个s1、第三开关s3互补导通，电流由第一电容c1流向第二电容c2，实现能量回馈；
94.功率驱动模块输出负电压时，vcc
‑
供电，当输出负向电压的绝对值上升时，第五开关s5、第七开关s7交错导通，第六开关s6、第八开关s8进行续流，电流由第五开关s5、第七开关s7交替经过第三电感l3和第四电感l4，流向第三电容c3，当输出负向电压的绝对值下降时，第六开关s6、第八开关s8交错导通，第五开关s5、第七开关s7进行续流，电流由第三电容c3流向第四电容c4，实现能量回馈，最终完成功率放大器的实时跟随供电。
95.作为优选的实施方式，为了减小电路的开关损耗，本实施例优选用宽禁带功率器件作为开关器件，本实施例可选用c2m0025120d等型号的碳化硅mosfet作为开关器件，具有开关速度快，导通电阻小等优点。
96.作为本实施例的优选实施方式，第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4分别为：第一mosfet、第二mosfet、第三mosfet和第四mosfet；
97.第一mosfet的栅极、第二mosfet的栅极、第三mosfet的栅极、以及第四mosfet的栅极分别与pi调节模块的输出端相连；
98.第一开关s1和第三开关s3相连作为正开关电路的电源输入端，包括：第一mosfet的漏极与第三mosfet的漏极相连作为正供电电路的输入端与正电源相连；
99.第一开关s1和第二开关s2串联，第一电感l1的一端连接于第一开关s1和第二开关s2的连接点，包括：第一mosfet的源极与第二mosfet的漏极以及第一电感l1的一端相连，第二mosfet的源极接地；
100.第三开关s3和第四开关s4串联，第二电感l2的一端连接于第三开关s3和第四开关s4的连接点，包括：第三mosfet的源极与第四mosfet的漏极以及第二电感l2的一端相连，第四mosfet的源极接地。
101.第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7和第八开关s8分别为：第五mosfet、第六mosfet、第七mosfet和第八mosfet；
102.第五mosfet的栅极、第六mosfet的栅极、第七mosfet的栅极、以及第八mosfet的栅极分别与pi调节模块的输出端相连；
103.第五开关s5和第七开关s7相连作为负开关电路的电源输入端，包括：第五mosfet的漏极与第七mosfet的漏极相连作为负供电电路的输入端与负电源相连；
104.第五开关s5和第六开关s6串联，第三电感l3的一端连接于第五开关s5和第六开关s6的连接点，包括：第五mosfet的源极与第六mosfet的漏极以及第三电感l3的一端相连，第
六mosfet的源极接地；
105.第七开关s7和第八开关s8串联，第四电感l4的一端连接于第七开关s7和第八开关s8的连接点，包括：第七mosfet的源极与第八mosfet的漏极以及第四电感l4的一端相连，第八mosfet的源极接地。
106.作为本实施例优选的实施方式，功率驱动模块包括：多个并联的线性功率放大器，通过多个线性功率放大器并联，从而提高驱动能力；
107.图2示出了线性功率放大器的数量为两个时的电路原理结构示意图；图4示出的线性功率放大器的数量为两个时的功率驱动模块的拓扑结构示意图；其中实时跟随供电模块的数量与线性功率放大器的数量一致；此时第一个实时跟随供电模块输出的正供电电压为v
s1
+、负供电电压为v
s1
‑
用于向第一个线性功率放大器a1供电；第二个实时跟随供电模块输出的正供电电压为v
s2
+、负供电电压为v
s2
‑
用于向第二个线性功率放大器a2供电；
108.参照图2，相对应该的电压检测模块的数量和pi调节模块的数量也与线性功率放大器的数量一致；第一个电压检测模块的电压检测电路获取第一个功率放大器的输出电压u
out_1
后，经过第一个pi调节模块产生用于输入第一个实时跟随供电模块的第一个pwm信号；第二个电压检测模块的电压检测电路获取第二功率放大器的输出电压u
out_2
后，经过第二个pi调节模块产生用于输入第二个实时跟随供电模块的第二个pwm信号。同理，电流检测模块的数量也与线性功率放大器的数量一致，第一个电流检测模块的电流检测电路用于获取第一个功率驱动模块的输出电流i1；第二个电流检测模块的电流检测电路用于获取第二个功率驱动模块的输出电流i2；第一个功率放大器的输出端与第一个功率放大器的输出端相连后向压电作动器输出线性驱动信号u
out
；数字控制模块分别向第一线性功率放大器输出第一个控制信号u
in1
，向第二个线性功率放大器输出第二个控制信号u
in2
。
109.本发明的实施例通过线性功率放大器作为功率驱动，以输出的控制信号具有较高的线性度，同时，利用实时跟随供电的方式，接近线性功率放大器损耗较大的问题，使用宽禁带功率器件作为开关器件以减小电路的开关损耗，采用多个线性功率放大器并联的结构，提高驱动能力，最终实现高频响、高效率的压电作动器驱动功能。
110.应理解的是，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。上述实施例方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
111.本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分。并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能。
112.本发明在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
113.本发明术语“第一”、“第二
”……“
第n”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二
”……“
第n”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
114.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
115.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。