CN102684548A - 一种压电陶瓷功率驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电陶瓷功率驱动装置，它包括隔离变压器、高压电路、AC-DC模块、低压电路和线性光耦，220V交流电经隔离变压器后分别输入高压电路和AC-DC模块，220V交流电经AC-DC模块转换为直流电后，输入低压电路中；低压电路输出端经线性光耦与高压电路耦合，由高压电路输出功率，实现对压电陶瓷进行功率驱动；高压电路包括全桥整流电路、滤波电路和放大器，全桥整流电路输出端并联一个由两个串联的续流电阻构成的支路，该支路两端分别经一个过流保护电阻连接滤波电路输入端，滤波电路输出端连接放大器的正、负电源端；放大器的正、负电源端还分别连接一个稳压二极管。本发明具有较好的稳定性以及抗干扰能力、线性度及可扩展性，可以在压电陶瓷驱动中应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率驱动装置，特别是关于一种压电陶瓷功率驱动装置。
背景技术
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷驱动器是利用压电陶瓷的逆电压效应制作的驱动装置。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将会产生机械形变，称为逆压电效应。利用压电陶瓷的逆电压效应，可以驱动执行元件产生相应的位移，具有体积小、分辨率高以及响应迅速等一系列优点，已经广泛应用在精密加工、生物工程、航空航天、机器人关节以及医疗器械等众多领域。而性能良好的驱动器是该技术得以广泛应用的前提。根据压电陶瓷的特性，结合诸多应用领域，压电陶瓷驱动器应满足以下要求：1、驱动电源要稳定，即稳压特性要好。2、输出电压较高，而且能够随控制信号的变化而变化，即驱动电源的线性特性要好。3、因驱动器工作在较高电压下，对其安全性要求较高，驱动器应有较完备的隔离和保护措施。4、可扩展性好。驱动电源应用于不同场合，要求既能由自身产生多种信号，又可以外接信号输入。此外，压电陶瓷所需驱动电压在百伏级别，远高于人体安全电压，因此对使用安全也提出了较高的要求。
从原理上讲，目前已有的驱动器分为电荷驱动型和电压驱动型两种。电荷驱动型可以很好地改善压电陶瓷的迟滞和蠕变特性，但是响应时间长，动态特性差，驱动装置复杂不易于实现，因此实际中应用不多。电压驱动型又可以分为两种：一种是基于直流变换原理的开关式驱动电源，由于输出级只工作在开和关两种状态，因此功耗小，效率高，但高频干扰较大，电源输出纹波也较大；另一种是采用高压运算放大器的直流放大式驱动电源。这种电源静态特性好，输出纹波小，频率响应范围较宽，但是对放大器的要求较高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种稳定性高、输出电压高、可扩展性好以及安全性较好的压电陶瓷功率驱动装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：它包括隔离变压器、高压电路、AC-DC模块、低压电路和线性光耦，220V交流电经所述隔离变压器后分别输入所述高压电路和AC-DC模块，220V交流电经所述AC-DC模块转换为直流电后，输入所述低压电路中；所述低压电路输出端经所述线性光耦与所述高压电路耦合，由所述高压电路输出功率，实现对压电陶瓷进行功率驱动；所述高压电路包括全桥整流电路、滤波电路和放大器，所述全桥整流电路输出端并联一个由两个串联的续流电阻构成的支路，该支路两端分别经一个过流保护电阻连接所述滤波电路输入端，所述滤波电路输出端连接所述放大器的正、负电源端；所述放大器的正、负电源端还分别连接一个稳压二极管。
所述全桥整流电路采用四个型号为1N4007的四个整流二极管构成；所述滤波电路由两个串联的电容与两个串联的电解电容并联构成；两个所述过流保护电阻均采用PTC热敏电阻；所述放大器采用型号为PA85的运算放大器。
所述低压电路包括信号发生器和信号运算处理器，所述隔离变压器输出的交流电经所述AC-DC模块转换为直流电后，输入所述信号发生器，由所述信号发生器输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号，该信号经所述信号运算处理器后转换为单极性信号，经所述线性光耦输入所述高压电路中的放大器信号输入端。
所述信号发生器包括单片机和数模转换器，所述单片机根据预设参数输出的波形信号经所述数模转换器转换，输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号；所述单片机采用型号为ST89C51的单片机，所述数模转换器采用型号为DAC0832的数模转换器。
所述信号运算处理器包括电压跟随器和加法器，所述信号发生器输出的双极性信号经所述电压跟随器阻抗匹配后，输入所述加法器将双极性信号转换为单极性信号输出。
所述低压电路的信号运算处理器输出端与所述线性光耦输入端之间，还连接有外部信号输入接口，外部设备通过所述外部信号输入接口向所述高压电路中的放大器输入单极性的波形信号；所述低压电路中的单片机控制所述放大器的输入信号选择是由所述低压电路输入还是由所述外部信号输入接口输入。
所述AC-DC模块包括AC/DC转换模块、5V稳压芯片、10V稳压芯片和两个反压芯片，所述AC/DC转换模块输出端分别连接所述5V稳压芯片、10V稳压芯片和第一个所述反压芯片，所述10V稳压芯片输出端连接第二个所述反压芯片；所述AC/DC转换模块采用型号为HAS10-12的AC/DC模块，所述5V稳压芯片采用的型号为L78M05，所述10V稳压芯片采用的型号为L78M10，第一个所述反压芯片采用的型号为LM2575，第二个所述反压芯片采用的型号为ICL7662。
所述隔离变压器采用1:1的变压器；所述线性光耦采用型号为HCNR201的光耦。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用由隔离变压器、高压电路、低压电路和线性光耦组成，低压电路经线性光耦与高压电路耦合，以提高电路的稳定性以及抗干扰能力。2、本发明由于高压电路由全桥整流电路、滤波电路和放大器构成，放大器采用PA85运算放大器，其具有带宽高、线性度好、输出功率高的优点。3、本发明由于采用隔离变压器将驱动电路与市电隔离，采用线性光耦元件将高压电路与低压电路隔离，消除不同电路间的干扰，同时提高驱动电路的稳定性和安全性。4、本发明由于在低压电路输出端与线性光耦输入端之间还连接有外部信号输入接口，外部设备通过外部信号输入接口可以向放大器输入单极性的波形信号，可扩展性较好。5、本发明由于在高压电路部分采用PTC热敏电阻以及稳压二极管，对电路进行过流及过压保护，有效的提高了整个电路的安全性。因此，本发明可以在压电陶瓷驱动中应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的高压电路部分结构示意图；
图3是本发明的低压电路部分结构示意图；
图4是本发明的AC-DC模块电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明是基于高压运放的直流放大式驱动装置，其包括隔离变压器1、高压电路2、AC-DC模块3、低压电路4和线性光耦5，220V交流电经隔离变压器1后分别输入高压电路2和AC-DC模块3，220V交流电经AC-DC模块3转换为直流电后，输入低压电路4中。低压电路4输出端经线性光耦5与高压电路2耦合，由高压电路2输出功率驱动，实现对压电陶瓷进行功率驱动。
上述实施例中，如图1、图2所示，高压电路2包括全桥整流电路6、滤波电路7和放大器8，全桥整流电路6输出端并联一个由两个串联的续流电阻R1、R2构成的支路，该支路两端分别经一个过流保护电阻R3和R4连接滤波电路7输入端，为整个电路提供过流保护。滤波电路7输出端连接放大器8的正、负电源端，为放大器8供电。放大器8的正、负电源端还分别连接一个稳压二极管D1和D2，为放大器8提供过压保护。
其中，全桥整流电路6采用四个型号为1N4007的四个整流二极管D3～D6构成；滤波电路7由两个串联的电容C1、C2与两个串联的电解电容C3、C4并联构成；两个过流保护电阻R3和R4均采用PTC（正温度系数）热敏电阻；放大器8采用型号为PA85的运算放大器。
上述各实施例中，如图3所示，低压电路4包括信号发生器9和信号运算处理器10，由隔离变压器1输出的交流电经AC-DC模块3转换为直流电后，输入信号发生器9。信号发生器9输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号，该信号经信号运算处理器10后转换为单极性信号，经线性光耦5输入放大器8的信号输入端，经过放大后对压电陶瓷进行功率驱动。
其中，信号发生器9包括单片机MCU和数模转换器11，单片机MCU根据预设参数输出的波形信号经数模转换器11转换为模拟量，输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号。单片机MCU可以采用型号为ST89C51的单片机，数模转换器11可以采用型号为DAC0832的数模转换器，也可根据具体需要选用其他满足性能的单片机MCU型号与数模转换器11型号。
信号运算处理器10包括电压跟随器12和加法器13，信号发生器9输出的双极性信号经电压跟随器12进行阻抗匹配后，输入加法器13，将双极性信号转换为单极性信号输出。
上述实施例中，如图1、图3所示，在低压电路4的信号运算处理器10输出端与线性光耦5输入端之间，还连接有外部信号输入接口14，外部设备通过外部信号输入接口14向放大器8输入单极性的波形信号，使本发明具有较好的可扩展性。单片机MCU控制放大器8的输入信号选择是由低压电路4输入还是由外部信号输入接口14输入。
上述各实施例中，如图4所示，AC-DC模块3包括AC/DC转换模块15、5V稳压芯片16、10V稳压芯片17、第一个反压芯片18和第二个反压芯片19，AC/DC转换模块15输出端分别连接5V稳压芯片16、10V稳压芯片17和第一个反压芯片18，10V稳压芯片17输出端连接第二个反压芯片19。其中，AC/DC转换模块15采用型号为HAS10-12的AC/DC模块，将220V交流电转换为+12V直流电后，再分别经5V稳压芯片16、10V稳压芯片17和第一个反压芯片18转换为+5V、+10V和-12V电压，分别为单片机MCU、放大器8和线性光耦5供电；10V稳压芯片17经第二个反压芯片19将+10V电压转换为-10V电压，为数模转换器11供电。
5V稳压芯片16采用的型号为L78M05，10V稳压芯片17采用的型号为L78M10，第一个反压芯片18采用的型号为LM2575，第二个反压芯片19采用的型号为ICL7662。
上述各实施例中，隔离变压器1采用1:1的变压器，由于隔离变压器1的输出级不与地相连，因此各种杂波减少，抗干扰性提高；此外，因为不与地相连，人接触任意一条线都不会触电，在一定程度上提高了使用安全性。
上述各实施例中，线性光耦5采用型号为HCNR201的光耦，由于经过信号运算处理器10处理后的信号是单极性电压信号，如果直接输入高压电路2中的放大器8中，那么需要高压电路2与低压电路4共地，高压电路2中即使较小的电压波动也会对低压电路4造成较大干扰，为了提高电路的稳定性以及抗干扰能力，采用线性光耦5将低压电路4与高压电路2耦合。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：它包括隔离变压器、高压电路、AC-DC模块、低压电路和线性光耦，220V交流电经所述隔离变压器后分别输入所述高压电路和AC-DC模块，220V交流电经所述AC-DC模块转换为直流电后，输入所述低压电路中；所述低压电路输出端经所述线性光耦与所述高压电路耦合，由所述高压电路输出功率，实现对压电陶瓷进行功率驱动；
所述高压电路包括全桥整流电路、滤波电路和放大器，所述全桥整流电路输出端并联一个由两个串联的续流电阻构成的支路，该支路两端分别经一个过流保护电阻连接所述滤波电路输入端，所述滤波电路输出端连接所述放大器的正、负电源端；所述放大器的正、负电源端还分别连接一个稳压二极管。
2.如权利要求1所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述全桥整流电路采用四个型号为1N4007的四个整流二极管构成；所述滤波电路由两个串联的电容与两个串联的电解电容并联构成；两个所述过流保护电阻均采用PTC热敏电阻；所述放大器采用型号为PA85的运算放大器。
3.如权利要求1或2所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述低压电路包括信号发生器和信号运算处理器，所述隔离变压器输出的交流电经所述AC-DC模块转换为直流电后，输入所述信号发生器，由所述信号发生器输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号，该信号经所述信号运算处理器后转换为单极性信号，经所述线性光耦输入所述高压电路中的放大器信号输入端。
4.如权利要求3所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述信号发生器包括单片机和数模转换器，所述单片机根据预设参数输出的波形信号经所述数模转换器转换，输出波形、频率以及幅值可调的双极性信号；所述单片机采用型号为ST89C51的单片机，所述数模转换器采用型号为DAC0832的数模转换器。
5.如权利要求3所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述信号运算处理器包括电压跟随器和加法器，所述信号发生器输出的双极性信号经所述电压跟随器阻抗匹配后，输入所述加法器将双极性信号转换为单极性信号输出。
6.如权利要求4所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述信号运算处理器包括电压跟随器和加法器，所述信号发生器输出的双极性信号经所述电压跟随器阻抗匹配后，输入所述加法器将双极性信号转换为单极性信号输出。
7.如权利要求1或2或4或5或6所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述低压电路的信号运算处理器输出端与所述线性光耦输入端之间，还连接有外部信号输入接口，外部设备通过所述外部信号输入接口向所述高压电路中的放大器输入单极性的波形信号；所述低压电路中的单片机控制所述放大器的输入信号选择是由所述低压电路输入还是由所述外部信号输入接口输入。
8.如权利要求3所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述低压电路的信号运算处理器输出端与所述线性光耦输入端之间，还连接有外部信号输入接口，外部设备通过所述外部信号输入接口向所述高压电路中的放大器输入单极性的波形信号；所述低压电路中的单片机控制所述放大器的输入信号选择是由所述低压电路输入还是由所述外部信号输入接口输入。
9.如权利要求1～8任意一项所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述AC-DC模块包括AC/DC转换模块、5V稳压芯片、10V稳压芯片和两个反压芯片，所述AC/DC转换模块输出端分别连接所述5V稳压芯片、10V稳压芯片和第一个所述反压芯片，所述10V稳压芯片输出端连接第二个所述反压芯片；所述AC/DC转换模块采用型号为HAS10-12的AC/DC模块，所述5V稳压芯片采用的型号为L78M05，所述10V稳压芯片采用的型号为L78M10，第一个所述反压芯片采用的型号为LM2575，第二个所述反压芯片采用的型号为ICL7662。
10.如权利要求1～9任意一项所述的一种压电陶瓷功率驱动装置，其特征在于：所述隔离变压器采用1:1的变压器；所述线性光耦采用型号为HCNR201的光耦。
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