基于電壓與電流復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及的是一種基于電壓與電流復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。它包括壓電陶瓷Ｚ、連接于壓電陶瓷兩端的高壓運(yùn)算放大器Ａｌ和內(nèi)外環(huán)復(fù)合控制電路，其中內(nèi)環(huán)通過在壓電陶瓷Ｚ上串接反饋電阻Ｒ１構(gòu)成電流控制環(huán)，外環(huán)通過運(yùn)算放大器Ａ２、電阻Ｒ２及連接于Ｒ２和Ａ１輸出端間的相互并聯(lián)的可調(diào)電阻Ｒ４、可調(diào)電容Ｃ１構(gòu)成比例積分控制器，實(shí)現(xiàn)外環(huán)的電壓反饋。對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行測(cè)試，施加控制電壓對(duì)壓電陶瓷充電一段時(shí)間，以固定周期檢測(cè)壓電陶瓷的位移量，測(cè)得基于復(fù)合控制的壓電陶瓷在范圍是０－１０μｍ時(shí)，最大帶寬２．５ｋＨｚ，最小穩(wěn)定頻率０．１Ｈｚ。開環(huán)階躍響最小穩(wěn)定時(shí)間為小于１ｍｓ，最小定位誤差小于４ｎｍ。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及的是一種驅(qū)動(dòng)電源，具體地說是一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。(二)、
技術(shù)介紹
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，操作對(duì)象已從宏觀領(lǐng)域深入到微觀領(lǐng)域。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。為完成光學(xué)精密工程、顯微外科、超精密加工及精密測(cè)量等操作，需要系統(tǒng)達(dá)到納米級(jí)的定位精度，并且對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求也越來越高。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的日益廣泛應(yīng)用，使壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)也得到越來越多的重視，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。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理的不同，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源可以分為電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源和電荷控制型驅(qū)動(dòng)電源。其中電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，但是在電壓反饋控制方式下，壓電陶瓷在開環(huán)控制條件下具有遲滯和蠕變的現(xiàn)象，在一些需要開環(huán)控制的場(chǎng)合，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的定位精度明顯下降；目前精密定位控制通常采用閉環(huán)控制，但由于增加傳感器，不但提高了成本，而且容易引起振蕩，影響了動(dòng)態(tài)特性；在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，人們對(duì)于精密定位的快速性要求越來越高，對(duì)壓電陶瓷電源的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)也更加關(guān)注。電流反饋型壓電陶瓷電源正是滿足這種要求的新型電源。目前，國(guó)外幾家公司已經(jīng)對(duì)電流反饋控制方式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源展開了廣泛的研究，國(guó)內(nèi)目前只在少數(shù)幾個(gè)大學(xué)和研究所展開研究。(三)、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種通過控制壓電陶瓷表面極化電荷，實(shí)現(xiàn)電極化強(qiáng)度的控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高的基于電壓/電流復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。本專利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括壓電陶瓷Z和連接于壓電陶瓷兩端的高壓運(yùn)算放大器A1，以及電壓與電流內(nèi)外雙閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，其中內(nèi)環(huán)通過在壓電陶瓷Z上串接反饋電阻R1構(gòu)成電流控制環(huán)，外環(huán)通過運(yùn)算放大器A2、電阻R2及連接于R2和A1輸出端間的相互并聯(lián)的可調(diào)電阻R4、可調(diào)電容C1構(gòu)成比例積分控制器，實(shí)現(xiàn)外環(huán)的電壓反饋。本專利技術(shù)還可以包括1、二極管D1到D6，電阻R3、R5、R6，電容C2，開關(guān)S1；D1、D2一端接地，另一端接A2反向輸入端，D3、D4一端接A1正向輸入端，另一端接A1反向輸入端，D5一端接A1負(fù)向電源端，另一端接A1輸出端，D6一端接A1正向電源端，另一端接A1輸出端，R3的一端接R2，另一端接A2輸出端，R5的一端接輸入電壓信號(hào)，另一端接輸入控制信號(hào)，R6一端接A1的9號(hào)端腳，另一端接A1輸出端，C2接在A1的4、5端腳間，S1接在C1和A2的反向輸入端間。2、控制信號(hào)接口電路、直流穩(wěn)壓電路。通過對(duì)壓電陶瓷微觀極化機(jī)理分析可知，采用基于電極化強(qiáng)度控制方法可以有效減少遲滯，在開環(huán)條件下提高控制精度。通過控制壓電陶瓷表面極化電荷可以實(shí)現(xiàn)電極化強(qiáng)度的控制方法，因此基于電極化強(qiáng)度控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源也就是利用壓電陶瓷位移與其上的自由電荷成線性關(guān)系原理，采用電路直接控制施加在壓電陶瓷兩端的充電電荷，從而達(dá)到線性驅(qū)動(dòng)。為保證電源同時(shí)具有良好的靜態(tài)特性，在電流控制環(huán)外添加電壓控制環(huán)，以彌補(bǔ)靜態(tài)時(shí)電路中的漏電流。由于壓電陶瓷整體上呈現(xiàn)容性，要控制對(duì)壓電陶瓷的充電量，可通過反饋電阻控制充電電流，將壓電陶瓷的充電電流進(jìn)行反饋控制，從而控制其電荷量，如圖1所示。以往的電流型電源的反饋量是壓電陶瓷的充電電流ip，壓電陶瓷的電荷量Qp由下式計(jì)算Qp＝∫ip·dr＝∫Vin/R·dt(1)Vin＝ip·R充電電流ip和高壓運(yùn)算放大器正相輸入端的電壓Vin成比例，比例系數(shù)就是反饋電阻的阻值。當(dāng)壓電陶瓷達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)，使輸入控制電壓Vin為零，充電電流ip也為零，則停止充電。由于高壓運(yùn)放偏置電壓影響，在達(dá)到目標(biāo)位移停止充電后，電路系統(tǒng)存在偏置電流，其會(huì)使壓電陶瓷帶電量迅速飽和。另一方面壓電陶瓷整體上呈現(xiàn)電容性，等效電阻一般在幾百M(fèi)Ω，通常在較低頻率或靜態(tài)時(shí)，壓電陶瓷可以等效為電容和電感的并聯(lián)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生漏電流，加在壓電陶瓷上的電壓越大，漏電流越大。如果位移保持在某一位置，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，由于漏電流的影響，壓電陶瓷本身就相當(dāng)于一個(gè)電源加在壓電陶瓷等效電阻的兩端，電荷會(huì)不斷地泄漏掉，從而無法保持恒定的位移。這些問題致使電流型電源低頻特性差。比較可行的方法在電流控制環(huán)外添加電壓控制環(huán)如圖2所示，通過調(diào)解電壓控制環(huán)反饋環(huán)節(jié)PI參數(shù)，調(diào)解電壓控制環(huán)所占權(quán)重。在要求高響應(yīng)速度的時(shí)調(diào)解PI參數(shù)甚至切斷外環(huán)反饋通道，當(dāng)需要對(duì)電荷做穩(wěn)定控制的時(shí)候，使用合適的電壓反饋環(huán)。這一方法尤其適合于壓電陶瓷定位系統(tǒng)中，利用這一硬件結(jié)構(gòu)可以方便地將電流控制和電壓控制相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合控制方法，從而保證在保持動(dòng)態(tài)特性的前提下，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性能的要求。電源包括三個(gè)電路模塊，如圖7所示控制信號(hào)接口電路、雙閉環(huán)放大電路、直流穩(wěn)壓電路。其中，控制信號(hào)接口電路實(shí)現(xiàn)與數(shù)字控制器、傳感器的對(duì)接與信號(hào)轉(zhuǎn)換；雙閉環(huán)放大電路通過控制壓電陶瓷電荷控制其位移，并可以滿足兼顧動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的要求；直流穩(wěn)壓電路為電源提供功率供給。施加控制電壓對(duì)壓電陶瓷充電一段時(shí)間，以固定周期檢測(cè)壓電陶瓷的位移量，測(cè)得基于復(fù)合控制的壓電陶瓷在范圍是0-10μm時(shí)，如圖3所示，最大帶寬2.5kHz；如圖4所示，最小穩(wěn)定頻率0.1Hz；如圖5所示，開環(huán)階躍響應(yīng)最小穩(wěn)定時(shí)間小于1ms；如圖6所示，最小定位誤差小于4nm。附圖說明圖1是電流型驅(qū)動(dòng)電源基本原理圖；圖2是本電壓與電流復(fù)合控制型驅(qū)動(dòng)電源基本原理圖；圖3是本電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的全行程最大帶寬響應(yīng)曲線；圖4是本電源頻率分析曲線；圖5為本電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的階躍響應(yīng)曲線；圖6是本電源驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的最小定位誤差曲線；圖7是本驅(qū)動(dòng)電源的電路模塊圖；圖8是本驅(qū)動(dòng)電源的雙閉環(huán)放大電路。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本專利技術(shù)做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，內(nèi)環(huán)基于電流控制型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的原理包括壓電陶瓷Z和連接于壓電陶瓷兩端的高壓運(yùn)算放大器A1，在壓電陶瓷上串接有反饋電阻R1。結(jié)合圖2，本專利技術(shù)的實(shí)施方案是在電流型內(nèi)環(huán)外增加帶有比例積分控制器的電壓外環(huán)，比例積分控制器由運(yùn)算放大器A2、電阻R2、可變電阻R4與可變電容C1與構(gòu)成，整個(gè)外環(huán)設(shè)置有開關(guān)S1。結(jié)合圖7，基于復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源由控制信號(hào)接口電路、雙閉環(huán)放大電路、直流穩(wěn)壓電路三個(gè)電路模塊連接構(gòu)成。其中控制信號(hào)接口電路中的DAC與ADC轉(zhuǎn)換器選用美國(guó)AD公司的AD7545及AD7825。雙閉環(huán)放大電路的高壓運(yùn)算放大器A1選用美國(guó)APEX公司的高壓運(yùn)算放大器模塊PA93，A2選用精密運(yùn)算放大器OP37。直流穩(wěn)壓電路由一次開關(guān)電源、穩(wěn)壓電路和電源轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。結(jié)合圖8，在圖2電路的基礎(chǔ)上，它還包括二極管D1到D6，電阻R3、R5、R6，電容C2；D1、D2一端接地，另一端接A2反向輸入端，D3、D4一端接A1正向輸入端，另一端接A1反向輸入端，D5一端接A1負(fù)向電源端，另一端接A1輸出端，D6一端接A1正向電源端，另一端接A1輸出端，R3的一端接R2，另一端接A2輸出端，R5的一端接輸入電壓信號(hào)，另一端接輸入控制信號(hào)，R6一端接A1的9號(hào)端腳，另一端接A1輸出端，C2接在A1的4、5端腳間。權(quán)利要求1.一種基于電壓與電流復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，它包括壓電陶瓷和連接于壓電陶瓷兩端的高壓運(yùn)算放大器及兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)，其特征是采用內(nèi)外環(huán)復(fù)合控制電路，內(nèi)環(huán)通過本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于電壓與電流復(fù)合控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，它包括壓電陶瓷和連接于壓電陶瓷兩端的高壓運(yùn)算放大器及兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)，其特征是：采用內(nèi)外環(huán)復(fù)合控制電路，內(nèi)環(huán)通過在壓電陶瓷Ｚ上串接反饋電阻Ｒ１構(gòu)成電流控制環(huán)，外環(huán)通過運(yùn)算放大器Ａ２、電阻Ｒ２及連接于Ｒ２和Ａ１輸出端間的相互并聯(lián)的可調(diào)電阻Ｒ４、可調(diào)電容Ｃ１構(gòu)成比例積分控制器，實(shí)現(xiàn)外環(huán)的電壓反饋，并設(shè)置有外環(huán)開關(guān)Ｓ１。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：榮偉彬，孫立寧，鄒翾，徐敏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：93[中國(guó)|哈爾濱]