专利名称：压电执行器驱动电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源技术领域，特别是一种关于压电执行器的驱动电源。
背景技术：
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制成各种压电执行器。大多数压电执行器的运动部件既可以正向运动，也可以反向运动。即施加+c伏电压，在某点处可产生+x的位移量；若施加-c伏电压，在同一点处则产生-x的位移量。这就要求压电执行器的驱动电源既能对运动部件进行正向充电，又能进行反向充电。而传统的压电陶瓷驱动电源，只具有单向充、放电的功能，不能满足大多数压电执行器的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有压电陶瓷驱动电源的不足，设计一种用于压电执行器的双向并行驱动电源。
为达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种压电执行器驱动电源，是用于压电执行器的双向并行驱动电源，该驱动电源由控制电路部分和放大电路部分组成，控制电路部分能够产生n路相互间满足特定时序关系的脉冲波形，放大电路部分是由多个相同的放大子路构成，放大子路的数量与放大电路部分输入信号的数量相等；其中，控制电路部分输出为放大电路部分的输入，放大电路部分的输出驱动m个负载。
所述的驱动电源，其所述产生n路脉冲波形，其n≥2；驱动m个负载，其m≥1，且m＜n。
所述的驱动电源，其所述控制电路部分，由时序电路和并行驱动电路两部分组成；时序电路的输出作为并行驱动电路的输入；时序电路是由一个定时器及两个单稳态触发器组成，并行驱动电路，是由复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)实现，将时序电路的输出转换成多路并行输出。
所述的驱动电源，其所述放大电路部分的放大子路包括光耦隔离电路、电平转换电路、功率放大电路，光耦隔离电路的输出作为电平转换电路的输入，电平转换电路的输出作为功率放大电路的输入。
所述的驱动电源，其所述功率放大电路，由两个功率场效应晶体管(VMOS)组成半桥输出，并工作在互补状态下。
所述的驱动电源，其所述功率放大电路，包含由电容和二极管组成的自举电路，自举电路提高了功率场效应晶体管的栅极电压，保证输出电压的幅值不受VMOS源极电压变化的影响。
所述的驱动电源，其所述放大电路部分，两个相邻的放大子路各有一个功率场效应晶体管组成的半桥，这两个半桥在一起构成了负载的全桥输出，可以实现执行器运动部件的正、反双向驱动。
所述的驱动电源，其所述放大电路部分，两个相邻的放大子路中，二极管与功率场效应晶体管组成双向放电回路，可以实现执行器运动部件的正、反双向放电。
本发明的电源具有以下优点1可以进行正、反双方向充电，使执行器的运动部件能做正、反两个方向的运动；2能够进行双向快速放电，频率响应范围宽；3输出电压高(几百伏)，非线性失真小，能够驱动运动部件短时间内连续往复运动；4输出阻抗很小，电流负载能力大，响应速度快；5控制信号的脉冲频率和脉宽可调；6能够实现多个运动部件并行驱动，各部件驱动信号之间的时序关系可通过计算机编程控制。
此外，该电源还具有成本低，元件易选择，调试方便等优点。
本发明的电源可以用作压电开关、压电泵、压电喷墨打印机、压电摆动式摄像器、压电光束扫描器等压电执行器的驱动电源。
图1为本发明压电执行器驱动电源的整体结构方框示意图；图2为本发明压电执行器驱动电源的实施例的电路结构示意图。
具体实施例方式
下面结合图1和图2详细介绍本发明的一个实施例。
如图1所示，本发明的驱动电源是由控制电路和放大电路两部分组成的，控制电路的n路输出(n≥2)做为放大电路的输入，放大电路的n路输出连接n-1个负载。放大电路是由多个相同的放大子路构成，放大子路的数量与放大电路输入信号的数量相等。
控制电路能够产生n路(n≥2)相互间满足特定时序关系的脉冲波形。经过放大电路放大后，可以并行驱动n-1个负载。
图2为本发明的一个实施例，它可以并行驱动2个负载。该实施例的控制电路是由时序电路和并行驱动电路两部分组成，时序电路的输出作为并行驱动电路的输入。
时序电路包括一个555定时器和两个单稳态触发器(74LS123)，555定时器电路负责产生触发器的输入脉冲及调节控制信号的脉冲频率f，由公式f＝1.44/(2R41+R42+2RPOT1)C11得出。555定时器电路的输出作为第一触发器的输入，采用下降沿触发产生一路输出。第一触发器的输出又作为第二触发器的输入，下降沿触发产生第二路输出。74LS123单稳输出脉冲宽度为t，由公式t＝0.45RC决定，通过调节电位器RPOT2、RPOT3可改变脉冲宽度。两个触发器的输出作为并行驱动电路的输入。并行驱动电路由复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)实现，将时序电路的两路输入转换成三路并行输出。用硬件描述语言Verilog编程，可实现波形的延时、边沿触发和电平控制，得到三路时序波形，再将这些波形分配至三个输出端口，实现了两个运动部件并行驱动。复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)的管脚配置采用MAX plus II软件，芯片烧写采用自制编程器。
该实施例的放大电路包括三个相同的放大子路，每个放大子路是由光耦隔离电路、电平转换电路、功率放大电路三部分组成的。在功率放大电路中，两个功率场效应晶体管(VMOS)组成半桥输出，并工作在互补状态下。功率放大电路还包括用于提高栅极电压的自举电路。整个放大电路设有用于泻放滞留电荷的双向放电回路。
下面根据放大子路1和放大子路2，介绍该实施例对负载1的驱动光耦隔离电路的输入为控制电路的输出。光耦隔离电路由光耦H1、H2，电阻R15、R16、R17、R18组成，作用是将高压部分与低压控制部分隔离开。电平转换电路的输入为光耦隔离电路的输出。电平转换电路由NPN型三极管T1、T2以及电阻R11、R12、R13、R14组成，光耦隔离电路的输出信号不能很好的驱动功率放大电路的VMOS管，必须经过电平转换电路的T1、T2放大。
功率放大电路的输入为电平转换电路的输出。功率放大电路由VMOS管V1～V6，电阻R1～R10，二极管D1～D4，电容C1、C2组成。VMOS管使用高耐压N沟道增强型功率MOSFET。压电陶瓷在电学上等效为电容，因此压电执行器为容性负载。VMOS输出阻抗小(通态电阻仅数欧姆)，开关速度快(纳秒级)，电流负载能力大，适合于驱动容性负载。
电容C1、C2和二极管D1、D3，电阻R1、R3组成自举电路，用于提高V1、V3栅极电压，保证V1、V3导通。VMOSFET的绝缘栅很薄，能够承受的最高电压有限，仅为20伏左右。对于V1而言，如果不接C1、D1，若输入U1为低电平，V1导通后，源极电压将升高，当VGS＜UGS(Th)(门极开启电压)时，V1将关断。加在压电执行器上的电压远小于VCC1，无法驱动执行器。D1、D3应使用开关速度快的肖特基二极管。
V1、V2、V3、V4组成全桥输出，可以对压电执行器作正、反双向驱动。同时V1和V2，V3和V4又分别工作在互补的状态下。电阻R1、R3的阻值不应过大，原因是V5与V6的源、漏之间存在寄生电容，阻值过大会降低V5、V6输出方波上升沿和下降沿的陡直度。R2、R4的作用是限制电流，保护高压电源VCC1。V5、V6的作用是将输入反相，以便V1和V2，V3和V4交替工作。V2和D4，V4和D2分别组成放电回路，负责对执行器作正、反向放电。在V5、V6的栅极串接电阻R5、R8，目的是消除寄生振荡对电平转换电路的影响。
下面举例说明，当放大子路1的输入U1，放大子路2的输入U2满足不同的时序关系时，负载1(压电执行器)的运动情况1当U1的上升沿到来且U2为低电平时，V1、V4导通，V2、V3关断，高压电源经V1、V4对运动部件正向充电，执行器正向运动时间由U1脉宽控制。
2当U1的下降沿到来且U2为低电平时，V2、V4导通，V1、V3关断，运动部件经过V2和D4组成的回路正向放电。
3当U1为低电平且U2的上升沿到来时，V2、V3导通，V1、V4关断，高压电源经V2、V3对运动部件反向充电，执行器反向运动时间由U2脉宽控制。
4当U1为低电平且U2的下降沿到来时，V2、V4导通，V1、V3关断，运动部件经过D2和V4组成的回路反向放电。
因此，该电源就实现了正、反双方向充电，同时又能双向快速放电，使执行器的运动部件能沿正、反两个方向快速运动。
权利要求
1.一种压电执行器驱动电源，是用于压电执行器的双向并行驱动电源，其特征在于，该驱动电源由控制电路部分和放大电路部分组成，控制电路部分能够产生n路相互间满足特定时序关系的脉冲波形，放大电路部分是由多个相同的放大子路构成，放大子路的数量与放大电路部分输入信号的数量相等；其中，控制电路部分输出为放大电路部分的输入，放大电路部分的输出驱动m个负载。
2.如权利要求1所述的驱动电源，其特征在于，所述产生n路脉冲波形，其n≥2；驱动m个负载，其m≥1，且m＜n。
3.如权利要求1所述的驱动电源，其特征在于，所述控制电路部分，由时序电路和并行驱动电路两部分组成；时序电路的输出作为并行驱动电路的输入；时序电路是由一个定时器及两个单稳态触发器组成，并行驱动电路，是由复杂可编程逻辑控制器件(CPLD)实现，将时序电路的输出转换成x路并行输出，其x≥2。
4.如权利要求1所述的驱动电源，其特征在于，所述放大电路部分的放大子路包括光耦隔离电路、电平转换电路、功率放大电路，光耦隔离电路的输出作为电平转换电路的输入，电平转换电路的输出作为功率放大电路的输入。
5.如权利要求4所述的驱动电源，其特征在于，所述功率放大电路，由两个功率场效应晶体管(VMOS)组成半桥输出，并工作在互补状态下。
6.如权利要求4所述的驱动电源，其特征在于，所述功率放大电路，包含由电容和二极管组成的自举电路，自举电路提高了功率场效应晶体管的栅极电压，保证输出电压的幅值不受VMOS源极电压变化的影响。
7.如权利要求1或4所述的驱动电源，其特征在于，所述放大电路部分，两个相邻的放大子路各有一个功率场效应晶体管组成的半桥，这两个半桥在一起构成了负载的全桥输出，可以实现执行器运动部件的正、反双向驱动。
8.如权利要求1或4所述的驱动电源，其特征在于，所述放大电路部分，两个相邻的放大子路中，二极管与功率场效应晶体管组成双向放电回路，可以实现执行器运动部件的正、反双向放电。
全文摘要
本发明涉及电源技术领域，特别是一种关于压电执行器的驱动电源。该驱动电源由控制电路部分和放大电路部分组成，控制电路部分能够产生n路相互间满足特定时序关系的脉冲波形，放大电路部分是由多个相同的放大子路构成，放大子路的数量与放大电路部分输入信号的数量相等；其中，控制电路部分输出为放大电路部分的输入，放大电路部分的输出驱动m个负载。它可以对执行器的运动部件(负载)进行正、反双方向充电，并能实现双向快速放电。输出电压高，电流负载能力大，控制信号的脉冲频率和脉宽可调，可以实现多个运动部件的并行驱动。
文档编号H02N2/06GK1677830SQ20041003194
公开日2005年10月5日 申请日期2004年3月31日 优先权日2004年3月31日
发明者崔大付, 许立宁 申请人:中国科学院电子学研究所