专利名称：自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是电源的领域，具体涉及一种应用是驱动压电陶瓷，是一种容性微致动器 的驱动电源。
(二)
背景技术：
压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点，是一 种理想的微位移元件。随着科学技术的不断发展，我们所研究的范畴也从宏观世界发展到了 对微观世界，而压电陶瓷驱动器正好适应了这一发展的需要，因此世界各国都竞相开展对压 电陶瓷驱动电源技术的研究。目前广泛研究的压电陶瓷驱动方法主要有电压驱动和电流驱动。 电流驱动方法其开环控制线性良好，带负载能力强，频带宽，但低频稳定性差，存在电荷泄 漏、输出电压饱和以及零点位移控制困难等问题。而电压驱动方法虽然具有较好的稳定性及 静态特性，但在高速运动条件下，其带负载能力显著下降，并且其闭环频响带宽较低(lKz以 下)针对目前压电陶瓷被广泛应用在内燃机燃油喷射，精细电火花加工等复杂环境中，不仅对 定位的精度有一定的要求，对于动态性能和功率的要求也是越来越高，而高动态和大功率输 出是比较矛盾的，因此如何解决这种矛盾具有重要的理论意义和实用价值。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够用于精细电火花加工等对动态和功率要求比较高场合， 采用FPGA实现自带信号发生单元，并采用桥式电路进行信号放大，实现高动态大功率输出 的自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源。
本发明的目的是这样实现的它包括信号发生单元、功放模块和MCU单元3个部分， 信号发生单元和功放模块中间采用MCU单元进行连接并实现键盘液晶等控制功能，功放模 块输出对PZT致动器进行驱动，MCU单元还连接有键盘、液晶和串口，功放模块连接模拟 输入单元，MCU单元和功放模块分别连接保护电路，信号发生单元、功放模块和MCU单元 分别连接供电电源单元。
本发明还有这样一些技术特征
1、 所述的信号发生单元包括基于DDS的数字信号发生器，数字信号发生器包括依次连 接的累加器、数据锁存器、波形存储器和DA转换装置；
2、 所述的功率放大单元采用桥式率放大结构，用两个放大器桥式连接；
3、 所述的信号发生单元采用前级主放大器和后级单位增益反相放大器组成桥式电路，将 电压转换速率和输出功率提升一倍，同时降低了放大器的供电电压，采用正负双极性低压供 电。本发明系统还采用电压检测、电流限制和温度保护单元，确保在大功率输出时系统的安 全性，本发明通过液晶和键盘操作可以选择模拟信号输入和信号发生单元信号输入两种方式， 输入信号经过功放模块放大输出，驱动压电陶瓷等容性负载。经过试验证明，本发明所设计 的压电陶瓷驱动电源能在保证一个较宽的工作带宽的前提之下，有效地提高了输出的功率， 解决了传统压电陶瓷驱动电源的输出功率同带宽之间的矛盾。
图1为电源的原理拓扑图2为改进型DDS原理拓扑图3-图4为未加滤波器输出的1Hz和lKHz正弦波波形示意图5-图6为未加滤波器输出的1Hz和lKHz三角波波形示意图7-图8为未加滤波器输出的1Hz和lKHz锯齿波波形示意图9-图IO为加滤波器输出的100Hz和20KHz正弦波波形示意图l卜图12为加滤波器输出的100Hz和20KHz三角波波形示意图13-图14为加滤波器输出的100Hz和20KHz锯齿波波形示意图； ，
图15为桥式功率放大的原理示意图16为频率为206Hz空载动态特性示意图17为频率为8.5KHz空载动态特性示意图18为频率为24KHz空载动态特性示意图19-图20为频率为lKHz和3KHz输出为60V的带载特性示意图； 图21-图22为频率为lKHz和3KHz输出为80V的带载特性示意图。 具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明
1、 本发明的原理拓扑如图1所示
本实施例采用开关电源为整个系统供电，输出效率能达到90%以上。整个系统分为3个 部分，信号发生单元，功放模块，中间采用MCU单元进行连接并实现键盘液晶等控制功能， 功放模块输出对PZT致动器进行驱动。这个系统还采用电压检测，电流限制，和温度保护等 功能，确保在大功率输出时系统的安全性。
2、 基于DDS的数字信号发生器
压电陶瓷驱动电源在动态应用中需要利用各种动态波形(正弦、三角、锯齿等波形)作 为输入信号。 一般可采用信号发生器作为输入，但是其体积太大且成本较高；也可采用PC 机存储波形，然后利用串口或并口等传输到下位机而产生波形，但是其速度受到串口等的传输速度限制。针对压电陶瓷驱动器的动态应用，利用DDS技术，设计了压电陶瓷驱动电源的 可控波形输出模块。该模块可以调整输出电压波形的频率和幅值，从而为压电陶瓷驱动电源 在高速动态条件下应用提供了信号来源，同时也为压电陶瓷驱动电源的进一步集成化打下了
基础o
图2是本实施例中采用的改进型信号发生器，累加器中按照频率控制字进行数据累加， 将累加后的值存入M数据寄存器，数据寄存器中的值被分为两部分，低N位作为一个模进行 累加，高M-N位作为EEPROM的寻址地址对波形输出，这样，就可以通过控制频率控制字 来控制低N位取模的速度，也就是对高M-N位进位的速度，由此影响对EEPROM的寻址速 度，实现对输出波形的频率控制的目的。数据信号发生器的输出波形如图3-图8所示。
图3-图8的几幅图片是DDS输出未采用滤波时的输出，仔细观察可以发现，波形的上有 很明显的开关噪声(毛刺)，在高频的情况下更加明显，在采用二阶低通滤波器对输出进行过 滤之后，发生很明显的改善。 4、功放单元
传统线形电路的输出受增益带宽积的影响，输出功率和频率是相互矛盾的。本设计釆用 桥式驱动原理，输出增益是前级主放大器增益和后级单位反相增益放大器的增益之和，这种 驱动方式的优点在于
(1) 用两个放大器桥式连接，其输出电压是单运放的两倍，而且桥式电路是唯一在单电源 下可以实现双极性输出的方式。在电源电压比较低或者需要放大器的输出接近电源电压而一 个放大器不能提供足够大的输出是采用这种电路非常有意义.同时由于输出电压是单运放的 两倍，因此其输出功率也比单运放增加了一倍。
(2) 将转换速率提高一倍，由于在两个放大器上是非线性对称的，因此比单运放可以减小 二次谐波失真。
(3) 由于桥式电路的输出电压是单运放的两倍，但是实现方式是用两个运放实现，因此在 不影响单级运放的带宽的基础之上实现的电压放大，所以其频响相对于常用压电陶瓷驱动电
源高出很多。
桥式功放单元部分的原理如图15所示。模拟输入时桥式放大电路的输出如图16-18所示。 本实施例采用空载，正弦波输出动态跟踪0-80V，频率范围200Hz—25KHz，其中
200Hz—8.5KHz输出波形没有衰减(80V) ， 8.5KHz—25KHz输出电压值有所衰减，lOKHz 时峰一峰值为76V， 25KHz时峰一峰值衰减为34V。这主要是因为对驱动电源进行补偿，以 牺牲放大倍数获得系统输出稳定。结合图19-图22，采用自带信号发生器输入信号，利用桥 式功率放大电路进行放大的半桥输出。
权利要求
1、一种自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源，它包括信号发生单元、功放模块和MCU单元3个部分，其特征在于信号发生单元和功放模块中间采用MCU单元进行连接并实现键盘、液晶控制功能，功放模块输出对PZT致动器进行驱动，MCU单元还连接有键盘、液晶和串口，功放模块连接模拟输入单元，MCU单元和功放模块分别连接保护电路，信号发生单元、功放模块和MCU单元分别连接供电电源单元。
2、 根据权利要求1所述的自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的信号发生单元包括基于DDS的数字信号发生器，数字信号发生器包括依次连接的累加器、数据锁存器、波形存储器和DA转换装置。
3、 根据权利要求2所述的自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的功率放大单元采用桥式率放大结构，用两个放大器桥式连接。
4、 根据权利要求3所述的自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的信号发生单元采用前级主放大器和后级单位增益反相放大器组成桥式电路，将电压转换速率和输出功率提升一倍，同时降低了放大器的供电电压，采用正负双极性低压供电。
全文摘要
本发明提供了一种自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源。它包括信号发生单元、功放模块和MCU单元3个部分，信号发生单元和功放模块中间采用MCU单元进行连接并实现键盘液晶等控制功能，功放模块输出对PZT致动器进行驱动，MCU单元还连接有键盘、液晶和串口，功放模块连接模拟输入单元，MCU单元和功放模块分别连接保护电路，信号发生单元、功放模块和MCU单元分别连接供电电源单元。本发明能够用于精细电火花加工等对动态和功率要求比较高的应用场合，采用FPGA实现自带信号发生单元，并采用桥式电路进行信号放大，实现高动态大功率输出等功能。
文档编号H03K3/02GK101582652SQ20091007237
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者孙立宁, 杜志博, 汝长海, 荣伟彬, 春 黄 申请人:哈尔滨工业大学