专利名称：宽频带压电陶瓷驱动电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动电源技术领域，具体涉及一种压电陶瓷微位移器的驱动电源。
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(1Kz以下)。针对目前压电陶瓷纳米定位台高速、高精度的要求，研究驱动能力强，稳定性好、响应速度快、频带宽的压电陶瓷驱动技术是未来的发展趋势。因此解决整个精密定位系统稳定性问题和提高有效频响及带负载能力，具有重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容本发明的目的在于提供一种能够有效提高压电陶瓷精密定位系统的稳定性和有效性性能的宽频带压电陶瓷驱动电源。
本发明的目的是这样实现的它包括供电电源单元、依次连接的单片机控制单元和多级放大单元，供电电源单元分别连接单片机(MCU)单元、液晶显示(LCD)单元、DA转换单元和多级放大单元，多级放大单元包括连接DA转换单元的前级放大模块和连接前级放大模块的功率放大模块，功率放大模块连接压电陶瓷，多级放大单元的反馈电阻上并联补偿电容，多级放大单元的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻和补偿电容。
本发明还有这样一些结构特征1、所述的多级放大模块电路结构描述为电阻RI1一面连接DA转换单元，一面连接前级放大模块，前级放大模块包括反相输入端连接电阻RI1的运放M1和反馈电阻RF1，运放M1的输出端连接功率放大模块，功率放大模块包括同相输入端连接运放M1的运放M2和反馈电阻RF，运放M2的反相输入端连接电阻RI接地，运放M2的输出端连接反馈电阻RF1和电容CL，电容CL接地；2、所述的反馈电阻RF和RF1上分别并联补偿电容CF和CF1；3、所述的运放M1的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻Rn和补偿电容Cn。
结合图1，压电陶瓷驱动电源的性能直接影响压电陶瓷驱动器乃至整个精密定位系统的性能，从图1中可以看出多级放大单元在对提高整个电源的性能中起到了举足轻重的作用，所以如何提高多级放大单元的性能成了电源研究的关键。多级放大单元主要是由前级放大模块和功率放大模块两部分构成的复合放大器，其中前级放大模块主要是为了提高电源的分辨率，而功率放大模块主要是为了能够给负载提供足够的驱动电压和功率。当对多级放大单元的整体构架设计完成之后，如何使驱动电路变得更稳定是需要解决的主要问题。当对驱动电路不做任何补偿时，在空载或小负载时电路稳定，但是当驱动大容性负载或输入较高频率的信号时电路极易产生振荡，并且受噪声的影响特别严重。通过对电路进行深入分析，对其进行“反馈零点”补偿及噪声增益补偿，在解决其稳定性的基础上充分提高有效频响及带负载能力。
1、“反馈零点”补偿结合图2，本发明设计的驱动电路中有两个地方用到了“反馈零点”补偿，即在反馈电阻RF和RF1上分别并联补偿电容CF和CF1，主要是为了提高驱动电路的稳定性。当输入低频小信号时，CF或CF1的阻抗将很大，与RF或RF1并联后的阻抗近似等于RF或RF1的阻值，对电路的增益几乎没有影响，但当输入高频小信号时，CF或CF1的阻抗将随频率的升高快速下降，此时反馈电阻与补偿电容的并联阻抗也将下降，从而导致放大电路的增益下降，以确保电路的稳定性。
2、噪声增益补偿结合图2，在对放大电路进行“反馈零点”补偿的基础上，同时进行噪声增益补偿，在同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻Rn和补偿电容Cn以构成多级放大电路中的噪声增益补偿部分。当输入低频小信号时，Cn表现为高阻抗，基本不影响放大电路的增益，当输入小信号频率逐步升高，Cn的阻抗将减小，最终趋于短路，此外本发明所取的Rn《RI，所以此时的增益将会随频率的不断升高，最后当Cn趋于短路时，增益也会上升到一固定值后趋于平衡。
通过实验证明，本发明所设计的压电陶瓷驱动电源有效带宽达到了10KHz，当带10u负载是其响应频率可达到4.4KHz，其阶跃响应稳定时间约为40us左右，电源的动态性能、响应时间及带负载能力都得到显著提高。
图1是电源组成框图；图2是多级放大模块电路；图3是功率运放的幅频图4是功率运放的开环相频图；图5是合成放大器的Aol曲线；图6是合成放大器的幅频图稳定性分析；图7是空载时动态特性曲线一；图8是空载时动态特性曲线二；图9是1.4u负载时动态特性曲线一；图10是1.4u负载时动态特性曲线二；图11是10u负载时动态特性曲线一；图12是10u负载时动态特性曲线二；图13是开环阶跃响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明结合图1，本实施例包括供电电源单元、依次连接的单片机控制单元和多级放大单元。供电电源单元分别连接单片机(MCU)单元、液晶显示(LCD)单元、DA转换单元和多级放大单元，多级放大单元包括连接DA转换单元的前级放大模块和连接前级放大模块的功率放大模块，功率放大模块连接压电陶瓷，多级放大单元的反馈电阻上并联补偿电容，多级放大单元的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻和补偿电容。
多级放大模块电路结构描述为电阻RI1一面连接DA转换单元，一面连接前级放大模块，前级放大模块包括反相输入端连接电阻RI1的运放M1和反馈电阻RF1，运放M1的输出端连接功率放大模块，功率放大模块包括同相输入端连接运放M1的运放M2和反馈电阻RF，运放M2的反相输入端连接电阻RI接地，运放M2的输出端连接反馈电阻RF1和电容CL，电容CL接地；反馈电阻RF和RF1上分别并联补偿电容CF和CF1；所述的运放M1的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻Rn和补偿电容Cn。
由于放大器所带负载是容性负载，所以输出阻抗Ro和容性负载CL将在放大器的Aol曲线(开环增益曲线)上产生一个极点fp2，从而改变了功率运放的Aol曲线，由于驱动放大电路所使用的功率运放的输出电阻Ro为4Ω，压电陶瓷的CL为1.4u，所以根据公式fp2＝πRoCL得fp2约为28KHz，设计的电路中闭环AC小信号增益为20dB，因此功率运放的AVcl曲线(闭环AC小信号增益曲线)与Aol曲线的之间的闭合斜率为40dB/dec，功率放大器处于临界稳定状态。需要通过“反馈零点”补偿在功率放大器的Aol曲线上增加一个极点，从而减小功率运放的AVcl曲线与Aol曲线的之间的闭合斜率。结合图3，fp1和fp3为功率运放本身所产生极点，fp5即为“反馈零点”补偿所产生的极点。通过“反馈零点”补偿后，功率运放的AVcl曲线将以20dB/dec的斜率插入其Aol曲线。通过图4所示的功率放大器的开环相频图，可以看到功率放大器具有59度的相角裕度，因此电路是稳定的。结合图5，通过前级放大器的Aol曲线和功率放大器的AVcl曲线可得到一个新的复合运放的Aol曲线。该复合运放的设计增益为30，即为30dB左右，从图5中可以看出复合运放的AVcl曲线与其Aol曲线的闭合斜率为60dB/dec，显然电路是不稳定的。如果此时只通过一个反馈零点补偿，复合运放的AVcl曲线将以20dB/dec的斜率插入60dB/dec的Aol曲线中，将会有40dB/dec的闭合斜率，电路仍是不稳定的，所以还必需通过噪声增益补偿，以确保电路的稳定性。通过分析图5可知，噪声增益补偿所产生的零点fz1必须将复合运放的AVcl曲线提高到40dB左右，然后利用“反馈零点”补偿及噪声增益补偿所产生的极点是复合运放得AVcl曲线以40dB/dec的斜率插入60dB/dec的Aol曲线，以达到稳定性要求，噪声增益补偿后的幅频图如图6所示。
驱动电源在空载、接入1.4u及10u负载(其中压电陶瓷选用NEC公司AE0505D16)时，将波形发生器的输出端接入驱动电源的模拟输入端，调节波形发生器的信号和幅值，利用并联至电容负载的数字存储示波器测量动态特性，电源的动态特性曲线如图7至图12所示(CH1为模拟输入信号，CH2为驱动电源输出信号)。根据以上的实验结果可知，该驱动电源空载时频响可达到300KHz，幅值不衰减可达到10KHz，在加载1.4u负载时可达到10KHz且幅值未发生变化，当加载10u负载时，最大频响可以达到4.4KHz。压电陶瓷微位移工作台阶跃响应特性曲线如图13所示，其阶跃响应稳定时间时间约为40us左右。通过分析以上实验数据可知，本发明所设计的电源的性能与理论推导基本符合。应用本实施例所设计的压电陶瓷驱动电源有效带宽达到了10KHz，带10u负载是其响应频率可达到4.4KHz，其阶跃响应稳定时间约为40us左右，带10u负载是其响应频率可达到4.4KHz，其阶跃响应稳定时间约为40us左右，电源的动态性能、响应时间及带负载能力都得到显著提高。
权利要求
1.一种宽频带压电陶瓷驱动电源，它包括供电电源单元、依次连接的单片机控制单元和多级放大单元，供电电源单元分别连接单片机单元、液晶显示单元、DA转换单元和多级放大单元，多级放大单元包括连接DA转换单元的前级放大模块和连接前级放大模块的功率放大模块，功率放大模块连接压电陶瓷，多级放大单元的反馈电阻上并联补偿电容，多级放大单元的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻和补偿电容。
2.根据权利要求1所述的宽频带压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的多级放大模块电路结构为电阻RI1一面连接DA转换单元、一面连接前级放大模块，前级放大模块包括反相输入端连接电阻RI1的运放M1和反馈电阻RF1，运放M1的输出端连接功率放大模块，功率放大模块包括同相输入端连接运放M1的运放M2和反馈电阻RF，运放M2的反相输入端连接电阻RI接地，运放M2的输出端连接反馈电阻RF1和电容CL，电容CL接地。
3.根据权利要求2所述的宽频带压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的反馈电阻RF和RF1上分别并联补偿电容CF和CF1。
4.根据权利要求2或3所述的宽频带压电陶瓷驱动电源，其特征在于所述的运放M1的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻Rn和补偿电容Cn。
全文摘要
本发明提供了一种宽频带压电陶瓷驱动电源。它包括供电电源单元、依次连接的单片机控制单元和多级放大单元，供电电源单元分别连接单片机单元、液晶显示单元、DA转换单元和多级放大单元，多级放大单元包括连接DA转换单元的前级放大模块和连接前级放大模块的功率放大模块，功率放大模块连接压电陶瓷，多级放大单元的反馈电阻上并联补偿电容，多级放大单元的同相输入端与反相输入端之间串联补偿电阻和补偿电容。通过实验证明，本发明所设计的压电陶瓷驱动电源有效带宽达到了10KHz，当带10u负载是其响应频率可达到4.4KHz，其阶跃响应稳定时间约为40us左右，电源的动态性能、响应时间及带负载能力都得到显著提高。
文档编号H02N2/02GK101039084SQ20071007207
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年4月20日
发明者汝长海, 黄春, 叶秀芬, 王科俊 申请人:哈尔滨工程大学