專利名稱：自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是電源的領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，是一種容性微致動(dòng)器 的驅(qū)動(dòng)電源。
(二)
背景技術(shù)：
壓電陶瓷微位移器具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲、不發(fā)熱等特點(diǎn)，是一 種理想的微位移元件。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們所研究的范疇也從宏觀世界發(fā)展到了 對(duì)微觀世界，而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器正好適應(yīng)了這一發(fā)展的需要，因此世界各國(guó)都競(jìng)相開展對(duì)壓 電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的研究。目前廣泛研究的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方法主要有電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。 電流驅(qū)動(dòng)方法其開環(huán)控制線性良好，帶負(fù)載能力強(qiáng)，頻帶寬，但低頻穩(wěn)定性差，存在電荷泄 漏、輸出電壓飽和以及零點(diǎn)位移控制困難等問題。而電壓驅(qū)動(dòng)方法雖然具有較好的穩(wěn)定性及 靜態(tài)特性，但在高速運(yùn)動(dòng)條件下，其帶負(fù)載能力顯著下降，并且其閉環(huán)頻響帶寬較低(lKz以 下)針對(duì)目前壓電陶瓷被廣泛應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)燃油噴射，精細(xì)電火花加工等復(fù)雜環(huán)境中，不僅對(duì) 定位的精度有一定的要求，對(duì)于動(dòng)態(tài)性能和功率的要求也是越來越高，而高動(dòng)態(tài)和大功率輸 出是比較矛盾的，因此如何解決這種矛盾具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠用于精細(xì)電火花加工等對(duì)動(dòng)態(tài)和功率要求比較高場(chǎng)合， 采用FPGA實(shí)現(xiàn)自帶信號(hào)發(fā)生單元，并采用橋式電路進(jìn)行信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)大功率輸出 的自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元3個(gè)部分， 信號(hào)發(fā)生單元和功放模塊中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤液晶等控制功能，功放模 塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬 輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護(hù)電路，信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元 分別連接供電電源單元。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的信號(hào)發(fā)生單元包括基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括依次連 接的累加器、數(shù)據(jù)鎖存器、波形存儲(chǔ)器和DA轉(zhuǎn)換裝置；
2、 所述的功率放大單元采用橋式率放大結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)放大器橋式連接；
3、 所述的信號(hào)發(fā)生單元采用前級(jí)主放大器和后級(jí)單位增益反相放大器組成橋式電路，將 電壓轉(zhuǎn)換速率和輸出功率提升一倍，同時(shí)降低了放大器的供電電壓，采用正負(fù)雙極性低壓供 電。本發(fā)明系統(tǒng)還采用電壓檢測(cè)、電流限制和溫度保護(hù)單元，確保在大功率輸出時(shí)系統(tǒng)的安 全性，本發(fā)明通過液晶和鍵盤操作可以選擇模擬信號(hào)輸入和信號(hào)發(fā)生單元信號(hào)輸入兩種方式， 輸入信號(hào)經(jīng)過功放模塊放大輸出，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷等容性負(fù)載。經(jīng)過試驗(yàn)證明，本發(fā)明所設(shè)計(jì) 的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源能在保證一個(gè)較寬的工作帶寬的前提之下，有效地提高了輸出的功率， 解決了傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出功率同帶寬之間的矛盾。

圖1為電源的原理拓?fù)鋱D2為改進(jìn)型DDS原理拓?fù)鋱D3-圖4為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz正弦波波形示意圖5-圖6為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz三角波波形示意圖7-圖8為未加濾波器輸出的1Hz和lKHz鋸齒波波形示意圖9-圖IO為加濾波器輸出的100Hz和20KHz正弦波波形示意圖l卜圖12為加濾波器輸出的100Hz和20KHz三角波波形示意圖13-圖14為加濾波器輸出的100Hz和20KHz鋸齒波波形示意圖； ，
圖15為橋式功率放大的原理示意圖16為頻率為206Hz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖17為頻率為8.5KHz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖18為頻率為24KHz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖19-圖20為頻率為lKHz和3KHz輸出為60V的帶載特性示意圖； 圖21-圖22為頻率為lKHz和3KHz輸出為80V的帶載特性示意圖。 具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
1、 本發(fā)明的原理拓?fù)淙鐖D1所示
本實(shí)施例采用開關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)供電，輸出效率能達(dá)到90%以上。整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè) 部分，信號(hào)發(fā)生單元，功放模塊，中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤液晶等控制功能， 功放模塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這個(gè)系統(tǒng)還采用電壓檢測(cè)，電流限制，和溫度保護(hù)等 功能，確保在大功率輸出時(shí)系統(tǒng)的安全性。
2、 基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中需要利用各種動(dòng)態(tài)波形(正弦、三角、鋸齒等波形)作 為輸入信號(hào)。 一般可采用信號(hào)發(fā)生器作為輸入，但是其體積太大且成本較高；也可采用PC 機(jī)存儲(chǔ)波形，然后利用串口或并口等傳輸?shù)较挛粰C(jī)而產(chǎn)生波形，但是其速度受到串口等的傳輸速度限制。針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)應(yīng)用，利用DDS技術(shù)，設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的 可控波形輸出模塊。該模塊可以調(diào)整輸出電壓波形的頻率和幅值，從而為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源 在高速動(dòng)態(tài)條件下應(yīng)用提供了信號(hào)來源，同時(shí)也為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的進(jìn)一步集成化打下了
基礎(chǔ)o
圖2是本實(shí)施例中采用的改進(jìn)型信號(hào)發(fā)生器，累加器中按照頻率控制字進(jìn)行數(shù)據(jù)累加， 將累加后的值存入M數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器中的值被分為兩部分，低N位作為一個(gè)模進(jìn)行 累加，高M(jìn)-N位作為EEPROM的尋址地址對(duì)波形輸出，這樣，就可以通過控制頻率控制字 來控制低N位取模的速度，也就是對(duì)高M(jìn)-N位進(jìn)位的速度，由此影響對(duì)EEPROM的尋址速 度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的頻率控制的目的。數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器的輸出波形如圖3-圖8所示。
圖3-圖8的幾幅圖片是DDS輸出未采用濾波時(shí)的輸出，仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，波形的上有 很明顯的開關(guān)噪聲(毛刺)，在高頻的情況下更加明顯，在采用二階低通濾波器對(duì)輸出進(jìn)行過 濾之后，發(fā)生很明顯的改善。 4、功放單元
傳統(tǒng)線形電路的輸出受增益帶寬積的影響，輸出功率和頻率是相互矛盾的。本設(shè)計(jì)釆用 橋式驅(qū)動(dòng)原理，輸出增益是前級(jí)主放大器增益和后級(jí)單位反相增益放大器的增益之和，這種 驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 用兩個(gè)放大器橋式連接，其輸出電壓是單運(yùn)放的兩倍，而且橋式電路是唯一在單電源 下可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸出的方式。在電源電壓比較低或者需要放大器的輸出接近電源電壓而一 個(gè)放大器不能提供足夠大的輸出是采用這種電路非常有意義.同時(shí)由于輸出電壓是單運(yùn)放的 兩倍，因此其輸出功率也比單運(yùn)放增加了一倍。
(2) 將轉(zhuǎn)換速率提高一倍，由于在兩個(gè)放大器上是非線性對(duì)稱的，因此比單運(yùn)放可以減小 二次諧波失真。
(3) 由于橋式電路的輸出電壓是單運(yùn)放的兩倍，但是實(shí)現(xiàn)方式是用兩個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，因此在 不影響單級(jí)運(yùn)放的帶寬的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)的電壓放大，所以其頻響相對(duì)于常用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電
源高出很多。
橋式功放單元部分的原理如圖15所示。模擬輸入時(shí)橋式放大電路的輸出如圖16-18所示。 本實(shí)施例采用空載，正弦波輸出動(dòng)態(tài)跟蹤0-80V，頻率范圍200Hz—25KHz，其中
200Hz—8.5KHz輸出波形沒有衰減(80V) ， 8.5KHz—25KHz輸出電壓值有所衰減，lOKHz 時(shí)峰一峰值為76V， 25KHz時(shí)峰一峰值衰減為34V。這主要是因?yàn)閷?duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行補(bǔ)償，以 犧牲放大倍數(shù)獲得系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。結(jié)合圖19-圖22，采用自帶信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)，利用橋 式功率放大電路進(jìn)行放大的半橋輸出。
權(quán)利要求
1、一種自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，它包括信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元3個(gè)部分，其特征在于信號(hào)發(fā)生單元和功放模塊中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤、液晶控制功能，功放模塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護(hù)電路，信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元分別連接供電電源單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的信號(hào)發(fā)生單元包括基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括依次連接的累加器、數(shù)據(jù)鎖存器、波形存儲(chǔ)器和DA轉(zhuǎn)換裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的功率放大單元采用橋式率放大結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)放大器橋式連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于所述的信號(hào)發(fā)生單元采用前級(jí)主放大器和后級(jí)單位增益反相放大器組成橋式電路，將電壓轉(zhuǎn)換速率和輸出功率提升一倍，同時(shí)降低了放大器的供電電壓，采用正負(fù)雙極性低壓供電。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。它包括信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元3個(gè)部分，信號(hào)發(fā)生單元和功放模塊中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤液晶等控制功能，功放模塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護(hù)電路，信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元分別連接供電電源單元。本發(fā)明能夠用于精細(xì)電火花加工等對(duì)動(dòng)態(tài)和功率要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，采用FPGA實(shí)現(xiàn)自帶信號(hào)發(fā)生單元，并采用橋式電路進(jìn)行信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)大功率輸出等功能。
文檔編號(hào)H03K3/02GK101582652SQ20091007237
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者孫立寧, 杜志博, 汝長(zhǎng)海, 榮偉彬, 春 黃 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)