专利名称：压电和\或压电类复合材料的控制及驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明的压电和\或压电类复合材料的控制及驱动装置，属压电和\或压电类复合材料驱动器和控制器。
背景技术：
压电变压器最早是由C.A.Rosen在1956年提出来的，现在主要被应用于笔记本电脑LCD平面显示器的背光灯源驱动以及采用冷阴极荧光灯管或霓虹灯管启动光源等领域。过去由于它的转换功率比较低，只有5～10W左右，功率密度只有5W/cm3，限制了它的广泛应用。进入90年代以来，日本对压电变压器进行了大量的研究和开发，其中NEC公司在这方面处于领先地位，他们申请了多达65项专利，国际上的一些大公司，如MOTOROLA，PHILIPS等也对压电变压器进行了大量的研究，美国维吉尼亚州的一家电子公司Face Electronics成功的研制出了大功率压电变压器，最大功率达到110W，功率密度达到40W/cm3。国内清华大学在70年代末和80年代初开始研究压电变压器材料的组成、结构与性能和压电变压器的输入输出特性，并申请了专利，目前中国科技大学、天津大学、浙江大学、华南理工大学等都开展了这方面的研究，并取得了许多成果。目前尚未查阅到将压电变压器用于压电类材料的驱动装置。
压电类材料的驱动装置(又称功率放大器)目前主要采用传统的线性功率放大器进行电压的放大，国内外的很多公司可以提供这样的成熟的产品，比如丹麦的B&K公司，但普遍都体积较大、效率低，不利于压电类材料与其控制及驱动系统的集成。
因压电和\或压电类复合材料在结构振动和/或噪声的主动控制或结构的形状控制等领域中被大量的选为执行器，它的驱动电压很高，特别是一些压电复合材料，其驱动电压有的高达1500伏特，选用传统的线性功率放大器的驱动系统体积过于厐大，而且电源转换效率较低(50％左右)，阻碍了振动和/或噪声的主动控制或形状控制等在实际中的推广应用。
发明内容本发明的目的是，提供一种体积小、重量轻、能量转换效率高和驱动电压高的能满足对压电和\或压电类复合材料驱动要求的驱动装置和控制系统，实现压电类材料控制及驱动系统的小型化、模块化和集成化。
本发明的压电和\或压电类复合材料执行器的控制及驱动装置，包括直流电源分别连于直流一交流逆变电路和控制器输入端，直流-交流逆变电路输出端连于压电变压器输入端，其输出端经桥式整流电路连于开关二极管的漏极，其源极连于另一个开关二极管的漏极，其源极接“地”。传感器的输出端连接于控制器，控制器的输出端与PWM波调理电路的输入端相连，其输出端分别连于两个开关二极管的栅极，两个开关二极管的串联接点连于电感的输入端，其输出端连于其负端与“地”相连的压电执行器正端，两个串联二极管反向并联在两个串联开关二极管的串联电路两端，两个串联二极管的串联接点接于电感输入端。
相对于传统的线性功率放大器，压电变压器的体积小从而使得驱动系统的体积非常小，该项发明的有益效果是显著地减小了压电类执行器的驱动系统的体积、减轻了重量、提高了能量转换效率。在选用压电类执行器作为结构振动和/或噪声的主动控制或形状控制或其它应用中，可以将压电类执行器的驱动系统跟控制系统有效的集成，广泛地应用到车辆、飞行器等结构振动与/或噪声的控制或其它的应用中。
图1是压电和/或压电类复合材料执行器的控制及驱动装置示意图。
图1中各编号的含义为1.直流-交流逆变电路；2.直流电源；3.控制器；4.压电变压器；5.PWM波调理电路；6.压电和/或压电类复合材料执行器；7.传感器。
图2～图6为本发明的实施例图。其中图2为基于压电变压器升压的DC/DC电路原理图；图3为控制器输出的PWM脉宽调制控制信号的调制及放大电路，该信号用于控制后续的开关二极管；图4为驱动电路工作时序图；图5为驱动装置几种工作状态；图6为TMS320F2812DSP控制系统。
图6中各编号的含义为1.输入的传感信号；2.抗混叠滤波器；3.A/D模块；4.存储器；5.通信接口和人机接口；6.数字I/O；7.PWM模块；8.PWM脉宽调制波具体实施方式
本发明的技术方案如图1所示，图中的D1～D4为四个用作桥式整流的二极管，S1和S2是两个开关二极管，D5和D6是两个二极管，L是一个电感。选用直流作为整个系统的供电电源2，通过直流-交流逆变电路1转变为压电变压器4所需要输入的高频低压信号(比如55±1KHz)，压电变压器4升压后转变为高频高压信号，经过桥式整流电路转变成为高压直流信号，提供给后续的PWM脉宽调制电路。控制器3可以是微控制器系统、嵌入式控制器系统、计算机测控系统或DSP处理器系统，根据传感器7输入的信号，根据一定的控制算法计算输出PWM控制信号，经过PWM波调理电路5，使PWM电路输出所需要的高压信号驱动压电和\或压电类复合材料执行器6。由于压电变压器4的升压比例很大(100倍以上)而且可调，它可以根据输入信号的频率很容易调节其放大倍数，所以理论上当输入信号为幅值10V的高频信号时，输出的直流电压在10V～1000V之间，完全可以满足压电和\或压电类复合材料的驱动要求。
实施例图2～图6是本发明的实施例示意图，根据图2～图6叙述本发明的具体实施方式
和工作原理。
图2是直流电源的DC/DC电路原理图。
为了得到所需要的驱动电压(200~500V)，需要给驱动装置一个DC/DC电路作为供电电源。在这个DC/DC电路中我们选用了西安康鸿信息技术股份有限公司生产的MTP3006A45压电陶瓷升压器PT(Piezoelectric Transformer)作为电压升压器件。
在图2中，MOSFET开关管Q1、Q2，电容C1，电感L1、L2组成了压电变压器PT的驱动电路。在图4中，VGS1、VGS2为开关管Q1、Q2栅源极电压，VDS(Q2)为开关管Q2上的漏源极电压，VL1为电感L1上的电压，VPTIN为压电变压器PT的输入电压。
图2的工作原理是开关管Q1、Q2交替接通，其间有一段死区时间(即全关状态)。在这段死区时间内电感L1上的感应电流对电容C1和压电变压器PT的输入电容充放电。电感L1上的电压取决于开关管的占空比。这个电压是一个准方波电压波形，通过低通滤器后就能得到近似的正弦电压信号。在本电路中，低通滤波器是由电感L2和压电变压器PT的输入电容组成的。这样压电变压器PT的输入电压就可通过脉宽调制PWM的占空比来控制。也就是说压电变压器PT的输出电压由系统输入的直流电压幅值、MOSFET管开关频率及占空比来决定。所以，可以用脉宽调制PWM来控制压电变压器PT的输出电压。
电感L3、全桥整流器D1(由四个二极管组成)、电容C2组成整流滤波电路。整流为全桥方式。假设系统输出端LOAD+和LOAD-之间接负载RL，则整流滤波电路输入等效电阻为REQ＝8×RL/π^2。
为了得到稳定的输出电压，我们在负载接入端引出电压信号作为负反馈信号。电阻R1、R2构成分压电路，电阻R3为限流电阻。光电隔离器U3。这样，输出端的电压信号经过分压、光电转化后输入U1的脉宽调制PWM芯片SG3525的1引脚。电阻R4、R5(电位器)为2引脚提供一个稳定的电压信号，这个电压信号确定了脉宽波的占空比，也就确定了压电变压器PT的输出电压，这个电压便是我们需要得到的稳定输出电压。当输出电压发生变化时，反馈信号在此基础上调整脉宽波的占空比，进而改变压电变压器PT的激励信号电压的幅值，从而改变系统输出电压使其稳定在额定值。
PWM芯片SG3525的11、14引脚输出PWM波，但它不能直接驱动MOSFET开关管Q1、Q2，为此在隔离驱动芯片U2种选用了IR2110作为MOSFET管的隔离驱动芯片，IR2110的母线工作电压最高为500V，满足我们的设计需要。(IR2101也完全满足设计要求，可作为IR2110的替代芯片，但电路要稍做改动)我们知道压电变压器PT的工作频带很窄，只有在其共振频率上才能有效工作。我们选用的MTP3006A45的共振频率为54±1KHz，这样我们希望开关管Q1、Q2能工作在54KHz左右。要设定开关频率只有调整PWM芯片SG3525的工作频率，芯片SG3525的5、6、7引脚所接电阻RT、电容CT确定了芯片SG3525的开关频率(f＝1/(0.67×RT×CT))。这样我们只要选好电阻RT、电容CT的参数就可以得到频率稳定的正弦波来驱动压电变压器PT。
图3为控制信号调理电路；该电路是一个DC/AC逆变电路，输入端VA+、VA-分别接图2的输出端LOAD+、LOAD-，这样输入端VA+、VA-之间的电压为图2中通过压电变压PT升压后得到的500V高压直流。接口JP1与F2812DSP控制器输出的PWM控制信号相连接，DSP输出的控制信号电压比较低(0～3V)，在这里我们采用D类功率放大的形式对输入信号进行放大。DSP产生的PWM控制信号经过光电隔离后进入隔离驱动芯片U1，用来驱动MOSFET开关管Q1、Q2(由于图2和图3中器件编号有重复，如无特殊说明以下器件编号皆为图3中元器件的编号，与图2中的编号无关)。开关管Q1、Q2、二极管D1、D2构成DC/AC逆变结构。开关管Q1、Q2交替接通形成4种工作状态。如图5所(1)当开关管Q1接通且开关管Q2关断时(如图5(a))，对压电和/或压电类复合材料执行器充电，电流IL(t)流过由电容C2(指图2中的虑波电容C2)、开关管Q1、L1、压电和/或压电类复合材料执行器的等效电容Gact组成的回路，同时一部分能量储藏在电感L1上。
(2)当开关管Q1、Q2都关断(如图5(b))，电流IL(t)继续流过由电感L1、等效电容Cact、二极管D2构成的回路。这些能量就是前一阶段存储在电感L1上的电能，很明显，提高了驱动效率。
(3)当开关管Q1关断且开关管Q2接通时(如图5(c))，压电和/或压电类复合材料执行器PA放电。放电电流IL(t)流过由执行器PA、电感L1、开关管Q2形成的回路。这样存储在压电片上的能量转化成电感L1上的能量和电流IL(t)。
(4)当开关管Q1、Q2都关断(如图5(d))，由C2(指图2中的虑波电容C2)、二极管D1、电感L1、等效电容Cact构成回路，前一阶段的能量又回到滤波电容C2中。这样能量在供电电源与压电片间相互转化，除去执行器驱动对象所消耗的能量外，理想情况下驱动能量的利用率100％。
实际上，DC/AC逆变就是将直流变成交流。开关管Q1、Q2的交替接通使得开关管Q1的S极和开关管Q2的D极相连接点得到一个幅值为500V的PWM波，很显然这个PWM波和DSP输出的PWM控制信号的波形和占空比是一样的，不同的只是电压幅值。这样便完成了控制信号的放大。放大后的PWM波经过低通滤波后得到模拟的交流电压驱动压电片工作。要说明的是这个低通滤波器是由电感L1和压电和/或压电类复合材料执行器PA的等效电容Cact构成的。
图6为TMS320F2812DSP控制系统；该实施例选用了TMS320F2812DSP控制系统，传感器信号1通过抗混叠滤波器2输入到TMS320F2812控制器的A/D模块3，通过AD转换对信号进行采集，采集到的数据存储在存储器4中，通过通信接口和人机接口5和数字I/O6与外部的其它设备进行通信。采集到的数据经过一定的控制算法计算后通过DSP内部的PWM模块7输出PWM脉宽调制波8，作为图3中JP1的输入控制信号。
权利要求
1.一种压电和/或压电类复合材料执行器的控制及驱动装置，其特征在于直流电源(2)分别连于直流—交流逆变电路(1)和控制器(3)的输入端，直流—交流逆变电路(1)输出端连于压电变压器(4)输入端，其输出端经桥式整流电路连于开关二极管(S1)的漏极，其源极连于另一个开关二极管(S2)的漏极，其源极接“地”。传感器(7)的输出端连接于控制器(3)，控制器(3)的输出端与PWM波调理电路(5)的输入端相连，其输出端分别连于两个开关二极管(S1)与(S2)的栅极，两个开关二极管(S1)和(S2)的串联接点连于电感(L)的输入端，其输出端连于其负端与“地”相连的压电执行器(6)正端，两个串联二极管(D5)(D6)反向并联在两个串联开关二极管(S1)和(S2)的串联电路两端，两个串联二极管的串联接点接于电感(L)输入端。
全文摘要
一种压电和/或压电类复合材料执行器的控制及驱动装置，属压电类复合材料控制器和驱动器，包括直流—交流逆变电路(1)、直流电源(2)、控制器(3)、压电变压器(4)、脉宽调制控制器(5)、压电执行器(6)、传感器(7)、桥式整流电路以及两个开关二极管(S1)与(S2)、二极管(D5)(D6)和电感(L)所组成。驱动器体积小、重量轻、能量转换效率高、驱动电压高，与控制器相结合，能满足压电及压电类复合材料的控制和驱动要求。可广泛应用于汽车、飞机等结构的振动与/或噪声以及结构的形状控制等方面。
文档编号H02M3/24GK1710794SQ200510041198
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者徐志伟, 黄雪峰, 相晖 申请人:南京航空航天大学