多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及驱动领域，具体而言，涉及一种多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，工业、宇航、生物等领域对高精度定位和驱动技术的需求越来越明显，例如扫描探针显微镜、纳米定位系统和振动控制系统等，特别对纳米定位技术需求越来越高。纳米定位技术的方案之一是采用压电陶瓷致动器作为执行机构。
[0003]基于多电平结构的驱动电路也渐渐运用于压电陶瓷致动器的高压驱动，目前绝大多数多电平驱动电路都是等压的多电平单元。
【发明内容】
[0004]本发明旨在提供一种适合于大功率的多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。
[0005]本发明在保证多电平驱动电路的输出电压范围的同时，在输出低频电压或者静态输出时，可以最大程度的减少多电平单元开关管的开关切换次数，以减小开关管的开关损耗，且使其调制方法变得更简单直接，提出了一种逐次逼近型多电平高压驱动策略。该驱动策略采用不等压多电平结构，和逐次逼近的调制方法，输出的两路电压给推挽式放大电路供电。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案实现的:
[0007]一种逐次逼近型多电平高压驱动策略，包括不等压多电平拓扑和逐次逼近型驱动策略。不等压多电平的拓扑的输出接到推挽式放大模块，为其供电；推挽式放大电路在驱动信号的驱动下，产生的电压直接驱动压电陶瓷执行器工作；按照逐次逼近型驱动策控制各个多电平电路模块的开关管工作，可以得到期望的两路输出电压。
[0008]不等压多电平拓扑包含固定电压直流模块和η级多电平级联模块，固定电压直流模块位于不等压多电平拓扑的输出端，且与η级多电平级联模块通过串联方式连接。固定电压直流模块的电压为Ud，其正极和负极分别为不等压多电平拓扑的高电压输出UH和低电压输出UL，此两路输出电压连接到推挽式放大模块的高电压侧和低电压侧，为其供电，这样可以大大减小推挽式放大模块的功率损耗，提高其效率。η级多电平级联模块的η个多电平单元的母线电压分别为Ε、2Ε、4Ε…2η-1Ε，且它们依次串联而成，则η级多电平级联模块的输出电压范围是0?(2η-1)Ε。通过调整Ε的大小，可调整多电平拓扑输出电压的分辨率，选择多电平级数η的大小，可以调整多电平拓扑输出电压的范围。这样的不等压多电平拓扑结构，只在输出电压需要改变时，开关管才进行开关操作，当输出低频电压时，多电平单元开关管工作在低频；当静态输出时，开关管不需要进行开关操作，这样可以减小开关管的开关损耗。
[0009]逐次逼近型驱动策略，是将期望输出电压Uexp转换成η位二进制数，η位二进制数的第i位对应第i个多电平单元的开关管的工作状态，0表示上管关断且下管开通，1表示上管开通且下管关断。第一步，计算Uexp/E的值，得到整数Sint，Sint代表η级多电平级联模块共要输出Sint*E来匹配期望输出电压Uexp。第二步，对Sint进行二进制转换，得到η位二进制数Sbit。按照Sbit的第0?n_l位分别对应控制第0?n_l级多电平电路模块的开关管工作，可以得到期望的输出电压，这样调制方法变得更简单直接。
【附图说明】
[0010]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0011]图1为本发明的不等压多电平高压驱动电路示意图；
[0012]图2为本发明的逐次逼近型驱动策略的框图；
[0013]图3为本发明的输出电压示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0015]如图1所示，本发明公开的一种逐次逼近型不等压多电平高压驱动策略的不等压多电平高压驱动电路，所述不等压多电平高压驱动电路包含固定电压直流模块、η级多电平级联模块和推挽式放大模块。其中，η级多电平级联模块与固定电压直流模块通过串联方式连接，固定电压直流模块的两路电压输出连接到推挽式放大模块，推挽式放大模块作为不等压多电平高压驱动电路的输出端。
[0016]所述固定电压直流模块的电压为Ud，其正极和负极分别为不等压多电平拓扑的高电压输出UH和低电压输出UL，此两路输出电压连接到推挽式放大模块的高电压侧和低电压侧，为其供电。
[0017]所述推挽式放大模块由驱动信号驱动，产生输出电压U0，以直接驱动压电陶瓷执行器。U0的电压跟随驱动信号的变化而变化，但放大了输出功率。通过调的电压可以调节推挽式放大模块的输出电压U0。
[0018]所述η级多电平级联模块的η个多电平单元的母线电压分别为Ε、2Ε、4Ε…2η_1Ε，且它们依次串联而成，则η级多电平级联模块的输出电压范围是0?(2η-1)Ε。
[0019]输出电压可变化的最小电压是Ε，通过调整Ε的大小，即可调整多电平拓扑输出电压的分辨率，选择多电平级数η的大小，可以调整多电平拓扑输出电压的范围。以选Ε =5V，n = 8为例，输出电压的范围为0V?1275V，分辨率为5V。
[0020]如图2所示，本发明公开的逐次逼近型驱动策略，为了将期望输出电压Uexp转换成控制各个多电平单元开关管的控制信号，所述逐次逼近型驱动策略按如下步骤进行。
[0021]第一步，计算Uexp/E的值，得到整数Sint，Sint代表η级多电平级联模块共要输出Sint*E来匹配期望输出电压Uexp。
[0022]第二步，对Sint进行二进制转换，得到η位二进制数Sbit。
[0023]第三步，按照Sbit的第0?η-1位分别产生0?n_l路控制信号g，且g[i]=Sbit [i]。
[0024]第四步，控制信号g[i]控制多电平单元i的开关管工作，当g[i] = 1时，对应多电平单元的上管开通且下管关断，相反，当g[i] = 0时，对应多电平单元的上管关断且下管开通。如此可以得到期望的输出电压。
[0025]如图3所不为不等压多电平拓扑输出电压不意图，所述的尚电压输出UH和低电压输出UL均以最小变化电压E逐渐增大和减小，且时刻保持有大小为Ud的电压差。由于不等压多电平拓扑的高电压输出UH和低电压输出UL，为推挽式放大模块的高电压侧和低电压侧供电，要保证任何时候UH与UL在大小上没有重合，而当多个开关管一起进行开关操作的时候，无法保证开关管绝对同时开通或者关断，则要求Ud>E。为使推挽式放大模块在控制输出时有足够的余量电压，当选取E = 5V、余量电压为5V时，可选择Ud = 10Vo
[0026]从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果:
[0027]1、采用不等压多电平级联的方式，既能用低压器件输出高范围的电压，开关管的工作频率可以随输出电压的频率降低而降低，减少开关管的开关损耗。
[0028]2、用带有固定电压差的两路可调电压给推挽式放大模块供电，可以大大减小推挽式放大模块的功率损耗，提高其效率。
[0029]3、采用逐次逼近的调制方法，使其调制变得更简单直接。
[0030]4、静态输出时，因为没有开关管的开关操作，所以输出电压没有高频谐波，不需要滤波。
[0031]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种多电平压电陶瓷驱动电路，其特征在于，包括， η级多电平级联模块，固定电压直流模块和推挽式放大模块； 所述η级多电平级联模块包括依次串联设置，且母线电压分别为E、2E、4E…2n ?的η个多电平单元，Ε为分辨电压； 所述固定电压直流模块，串联连接在所述η级多电平级联模块的输出端； 所述推挽式放大模块的高电压侧连接至固定电压直流模块高电压输出端UH，其低电压侧连接至固定电压直流模块的低电压输出端UL。2.根据权利要求1所述的多电平压电陶瓷驱动电路，其特征在于， 每个所述多电平单元包括与高压侧连接的第一开关管和与低压侧连接的第二开关管，且所述第一开关管和所述第二开关管分别与上一级所述多电平单元的低压侧连接； 第一级所述多电平单元的所述第一开关管和所述第二开关管分别与所述固定电压直流模块的低压侧连接。3.根据权利要求1所述的多电平压电陶瓷驱动电路，其特征在于， 所述固定电压直流模块的电压为Ud，其中，Ud > Eo4.根据权利要求3所述的多电平压电陶瓷驱动电路，其特征在于，Ud= 2E。5.一种多电平压电陶瓷驱动电路的驱动控制方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤S1，计算Uexp/E并取整得到整数Sint，其中，Uexp为期望输出电压，E为分辨电压； 步骤S2，将Sint进行二进制转换，得到η位二进制数Sbit ； 步骤S3，按照Sbit的第0?n-1位对应产生0?n-1路控制信号g，且g[i] = Sbit[i]；步骤S4，通过控制信号g[i]控制第i级所述多电平单元的开关管工作，其中，当g[i]=1时，第i级所述多电平单元的第一开关管导通且第二开关管关断；当g[i] = 0时，第i级所述多电平单元的第一开关管关断且第二开关管导通。
【专利摘要】本发明提供了一种适合于大功率多电平压电陶瓷驱动电路及其驱动控制方法。根据本发明的多电平压电陶瓷驱动电路，包括：n级多电平级联模块，n级多电平级联模块包括依次串联设置，且母线电压分别为E、2E、4E…2n-1E的n个多电平单元，E为分辨电压；固定电压直流模块，串联连接在n级多电平级联模块的输出端；推挽式放大模块，其高电压侧连接至固定电压直流模块高电压输出端UH，其低电压侧连接至固定电压直流模块的低电压输出端UL。本发明通过采用不等压多电平级联的方式，实现用低压器件输出高范围的电压，开关管的工作频率可以随输出电压的频率降低而降低，减少开关管的开关损耗；同时还可以大大减小推挽式放大模块的功率损耗，提高其效率。
【IPC分类】H02N2/06
【公开号】CN105429506
【申请号】CN201510908904
【发明人】高聪哲, 张成春, 刘向东, 陈振
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月10日