CN104601040B - 一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路 - Google Patents

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本发明公开的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，属于压电陶瓷驱动领域。本发明包括混合式电源控制模块、开关式放大模块、线性功率放大模块、检测模块和供电电源。所述混合式电源控制模块主要用于产生开关式功率放大器和线性功率放大器模块的指令信号。所述开关式放大器模块用于将混合式电源控制模块的指令信号放大成功率信号，作为线性功率放大模块的动态供电电源。线性功率放大模块的输出作为压电陶瓷执行器的驱动电源。检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压。本发明在保证纹波足够小和响应足够快的基础上，通过提高线性功率放大器效率，进而降低压电陶瓷的驱动电路中***功耗。本发明可用作压电陶瓷驱动电源。

Description

一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，特别涉及一种压电陶瓷驱动电路，属于压电陶瓷驱动领域。
背景技术
压电陶瓷执行器主要基于逆压电效应，利用压电陶瓷在电场作用下发生形变，从而驱动执行元件发生微位移。由于压电陶瓷具有体积小、重量轻和强度高的优点，其经常应用于需要高频运动的精密控制设备中，例如纳米级***、高速微机械***、扫描探针显微镜和振动控制***。压电陶瓷是容性负载特性，高频率就意味着大负载，给压电陶瓷驱动电源的驱动能力带来很大的考验。
近年来，压电陶瓷驱动器主要有两种形式，一是基于直流变换原理的开关式驱动电源，其功率损耗小、效率高、体积小，但高频干扰较大，电源输出纹波较大，频响范围较窄。另一种是直流放大式线性驱动电源，其输出纹波小、频响范围宽，随着高压运放技术的日趋完善，其已成为该领域的主流。然而，直流放大式驱动电源一直面临着其功耗较大，效率低的问题。
解决上述问题的方法之一是开关线性混合式驱动电源。目前，尚没有此类专门应用于压电陶驱动器的***论述，也未见有相关文献或专利公开。因此，研制压电陶瓷的开关线性混合式驱动电源具有重要的现实意义和应用潜力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在保证纹波足够小和响应足够快的基础上，降低压电陶瓷的驱动电路中***功耗。本发明公开的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路在保证纹波足够小和响应足够快的基础上，通过提高线性功率放大器效率，进而降低压电陶瓷的驱动电路中***功耗。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，包括混合式电源控制模块、开关式放大模块、线性功率放大模块、检测模块和供电电源。其中，所述混合式电源控制模块主要用于产生开关式功率放大器和线性功率放大器模块的指令信号。所述开关式放大器模块用于将混合式电源控制模块的指令信号放大成功率信号，作为线性功率放大模块的动态供电电源。且混合式电源控制模块控制开关式放大模块输出两路供电电压，较高供电电压相比线性功率放大模块的输出电压有一个余量电压，线性功率放大模块的输出电压相比较低供电电压有一个同样大小的余量电压，此余量电压比较小，其大小可在混合式电源控制模块中设置，且不随线性功率放大模块的输出电压变化而变化。此种动态供电的方式，大大减少线性功率放大模块的功率损耗。线性功率放大模块的输出作为压电陶瓷执行器的驱动电源。检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压。
上述组成部分的连接关系如下：***输入与混合式电源控制模块的输入端相连，开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端经过检测模块分别作为反馈与混合式电源控制模块的输入端相连。混合式电源控制模块的第一个输出端与开关式放大模块输入端相连，混合式电源控制模块的第二个输出端与线性功率放大模块输入端相连。开关式放大模块的输出端与线性功率放大模块的供电输入端相连。供电电源分别同混合式电源控制模块、开关式放大模块相连。
所述的混合式电源控制模块包括信号调理电路、模数转换电路、处理器和数模转换电路。其中，信号调理电路的输入分两部分，一部分与***输入信号相连，另一部分与检测模块的输出端相连，检测模块的输入端分别与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连，信号调理电路的输出端连接到模数转换器上，模数转换器的数据输出端连接到处理器数据输入端，处理器输出线性功率放大模块和开关式功率放大模块的指令信号所对应的数据，分别传送给两路数模转换器，两路数模转换器的输出端分别连接到线性功率放大模块和开关式功率放大模块的输入端。信号调理电路利用串联电阻分压电路和跟随电路实现，调整待采样电压达到模数转换电路所限制的输入范围之内，模数转换器用于将模拟的***输入信号和检测模块输出信号转换成数字信号，随后由处理器读取并计算出输出电压值，随后，数模转换电路将数字量转换成模拟量输出。处理器中采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法，开关式功率放大模块输出的电压和线性功率放大模块输出的电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和PID算法的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出。或者处理器中采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，将开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和迭代学习控制的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出。以提高开关式功率放大模块输出的响应速度和跟踪精度。
所述的开关式放大模块包括PWM调制比较电路，推挽式放大电路、低通滤波电路和电压反馈。其中，PWM调制比较电路由运算放大器、比较器和R2、CF组成。PWM调制比较电路采用PWM调制技术，将***输入信号(Vs)与一个参考三角波(VT)比较，产生与***输入相关的调制信号。推挽式放大电路由MOS管M1、M2组成，PWM调制比较电路输出的调制信号通过M1、M2交替开通进行功率放大。低通滤波电路由电感L1和电容C1组成，将功率放大信号中的模拟信号还原。RF的作用是进行电压反馈。
所述的线性功率放大模块包括高压集成功率放大器和其***电路以及功放放大级电路。高压集成功率放大器***电路包括R1、R2、R3、R4、C1和C2，功放放大级电路包括R5、R6、R7、D1、Q1和Q2。高压集成功率放大器的输入与混合式电源控制模块的输出端相连；高压集成功率放大器的输出作为驱动电源与压电陶瓷执行器相连。高压集成功率放大器的放大系数可以通过调节反馈电阻R1和R4得到。R3和C1是作为补偿电阻和电容。Q1、R6、Q2、R7和D1组成扩流电路用于扩大输出电流的目的。
所述检测模块输出端与混合式电源控制模块的输入端相连，输入端与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连。检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压，并将其反馈回混合式电源控制模块。
所述供电电源分别同混合式电源控制模块和开关式放大模块相连。用以混合式电源控制模块和开关式放大模块的供电。
本压电陶瓷驱动电路的工作过程如下：首先，混合式电源控制模块对***输入信号和开关式功率放大模块以及线性功率放大模块的输出电压进行采样。之后，混合式电源控制模块采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法或者采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，产生开关式放大模块的指令，经过开关式放大模块的功率放大后，产生线性功率放大模块的动态供电电源。同时，混合式电源控制模块产生指令信号，作为线性功率放大模块的输入，经线性功率放大模块放大后输出功率信号，作为压电陶瓷执行器的驱动电源。
有益效果
1、本发明公开的一种新的开关线性混合式驱动电路通过提高线性功率放大器效率，进而降低压电陶瓷驱动电路中***功耗。
2、本发明公开的一种新的开关线性混合式驱动电路，采用开关线性复合功率放大器的结构，既达到开关式功率放大器的高效率，又达到线性功率放大器的高线性度，***体积也减小。
3、本发明公开的一种新的开关线性混合式驱动电路，采用PID闭环控制和相位超前补偿，提高驱动电路响应速度。
4、本发明公开的一种新的开关线性混合式驱动电路，采用迭代学习控制，达到高精度跟踪。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中开关线性混合式驱动电路的总体框架结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中开关式功率放大模块的结构框图；
图3为本发明具体实施方式中开关式功率放大模块的电路简化图；
图4为本发明具体实施方式中线性功率放大模块的电路简化图；
图5为测试中开关线性混合式驱动电路的输入指令与输出波形图。
具体实施方式
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。
实施例1：
如图1所示，本发明公开的一种开关线性混合式驱动电路，包括混合式电源控制模块、开关式放大模块、线性功率放大模块、检测模块和供电电源。其中，所述混合式电源控制模块主要用于产生开关式功率放大器和线性功率放大器模块的指令信号。所述开关式放大器模块用于将混合式电源控制模块的指令信号放大成功率信号，作为线性功率放大模块的动态供电电源。且混合式电源控制模块控制开关式放大模块输出两路供电电压，较高供电电压相比线性功率放大模块的输出电压有一个余量电压，线性功率放大模块的输出电压相比较低供电电压有一个同样大小的余量电压，此余量电压比较小，其大小可在混合式电源控制模块中设置，且不随线性功率放大模块的输出电压变化而变化。此种动态供电的方式，大大减少线性功率放大模块的功率损耗。线性功率放大模块的输出作为压电陶瓷执行器的驱动电源。检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压。
上述组成部分的连接关系如下：***输入与混合式电源控制模块的输入端相连，开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端经过检测模块分别作为反馈与混合式电源控制模块的输入端相连。混合式电源控制模块的第一个输出端与开关式放大模块输入端相连，混合式电源控制模块的第二个输出端与线性功率放大模块输入端相连。开关式放大模块的输出端与线性功率放大模块的供电输入端相连。供电电源分别同混合式电源控制模块、开关式放大模块相连。
如图1所示，所述的混合式电源控制模块包括信号调理电路、模数转换电路、处理器和数模转换电路。其中，信号调理电路的输入分两部分，一部分与***输入信号相连，另一部分与检测模块的输出端相连，检测模块的输入端分别与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连，信号调理电路的输出端连接到模数转换器上，模数转换器的数据输出端连接到处理器数据输入端，处理器输出线性功率放大模块和开关式功率放大模块的指令信号所对应的数据，分别传送给两路数模转换器，两路数模转换器的输出端分别连接到线性功率放大模块和开关式功率放大模块的输入端。信号调理电路利用串联电阻分压电路和跟随电路实现，调整待采样电压达到模数转换电路所限制的输入范围之内，模数转换器用于将模拟的***输入信号和检测模块输出信号转换成数字信号，随后由处理器读取并计算出输出电压值，随后，数模转换电路将数字量转换成模拟量输出。处理器中，采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法，开关式功率放大模块输出的电压和线性功率放大模块输出的电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和PID算法的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出。或者采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，将开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和迭代学习控制的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出。以提高开关式功率放大模块输出的响应速度和跟踪精度。
如图2、图3所示，所述的开关式放大模块包括PWM调制比较电路，推挽式放大电路、低通滤波电路和电压反馈。其中，PWM调制比较电路由运算放大器、比较器和R2、CF组成。PWM调制比较电路采用PWM调制技术，将***输入信号(Vs)与一个参考三角波(VT)比较，产生与***输入相关的调制信号。推挽式放大电路由MOS管M1、M2组成，PWM调制比较电路输出的调制信号通过M1、M2交替开通进行功率放大。低通滤波电路由电感L1和电容C1组成，将功率放大信号中的模拟信号还原。RF的作用是进行电压反馈。
如图4所示，所述的线性功率放大模块包括高压集成功率放大器和其***电路以及功放放大级电路。高压集成功率放大器***电路包括R1、R2、R3、R4、C1和C2，功放放大级电路包括R5、R6、R7、D1、Q1和Q2。高压集成功率放大器的输入与混合式电源控制模块的输出端相连；高压集成功率放大器的输出作为驱动电源与压电陶瓷执行器相连。高压集成功率放大器的放大系数可以通过调节反馈电阻R1和R4得到。R3和C1是作为补偿电阻和电容。Q1、R6、Q2、R7和D1组成扩流电路用于扩大输出电流的目的。
所述检测模块输出端与混合式电源控制模块的输入端相连，输入端与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连。检测模块用于检测开关式功率放大模块的两路输出电压和线性功率放大模块的一路输出电压，并将其反馈回混合式电源控制模块。
所述供电电源分别同混合式电源控制模块和开关式放大模块相连。用以混合式电源控制模块和开关式放大模块的供电。供电电源选择直流供电，要求能够提供外置±100V电压。以保证开关式功率放大模块的输出电压的范围达到±100V。
本压电陶瓷驱动电路的工作过程如下：首先，混合式电源控制模块对***输入信号和开关式功率放大模块的两路输出电压以及线性功率放大模块的一路输出电压进行采样，之后，混合式电源控制模块采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法或者采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，产生开关式放大模块的指令，经过开关式放大模块的功率放大后，产生线性功率放大模块的动态供电电源。同时，混合式电源控制模块产生指令信号，作为线性功率放大模块的输入，经线性功率放大模块放大后输出功率信号，作为压电陶瓷执行器的驱动电源。
如图5所示，设定输出信号为频率是峰峰值为50V的正弦波，1kHz的正弦波，对应的指令信号为小信号，测试中设置指令信号峰峰值为3.2V，频率为1kHz。供电输出指开关式功率放大模块有两路电压输出，一路为较高电压输出，比线性功率放大模块的输出稍高，另一路为较低电压输出，比线性功率放大模块的输出稍低。实验测试图(图5)中，供电输出指开关式功率放大模块的较高电压输出，运放输出指线性功率放大模块的输出电压，即为本开关线性混合式压电陶瓷驱动电路的最终输出电压，作为压电陶瓷执行器的驱动电源，供电指令指开关式功率放大模块的指令信号，运放指令指线性功率放大模块的指令信号。在混合式控制模块的控制作用下，开关式功率放大模块的两路输出电压作为线性功率放大模块的供电电源，其输出电压波形基本上能够保证与线性功率放大模块的输出波形相位同步，并且保持一定的余量电压，测试中设置的余量电压为15V。根据图中各个波形所示，本开关线性混合式压电陶瓷驱动电路的输出满足性能要求。
本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：包括混合式电源控制模块、开关式放大模块、线性功率放大模块、检测模块和供电电源；所述混合式电源控制模块主要用于产生开关式功率放大器和线性功率放大器模块的指令信号；所述开关式放大器模块用于将混合式电源控制模块的指令信号放大成功率信号，作为线性功率放大模块的动态供电电源；线性功率放大模块的输出作为压电陶瓷执行器的驱动电源；检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压；
连接关系为：***输入与混合式电源控制模块的输入端相连，开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端经过检测模块分别作为反馈与混合式电源控制模块的输入端相连；混合式电源控制模块的第一个输出端与开关式放大模块输入端相连，混合式电源控制模块的第二个输出端与线性功率放大模块输入端相连；开关式放大模块的输出端与线性功率放大模块的供电输入端相连；供电电源分别同混合式电源控制模块、开关式放大模块相连。
2.如权利要求1所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述的混合式电源控制模块包括信号调理电路、模数转换电路、处理器和数模转换电路；其中，信号调理电路的输入分两部分，一部分与***输入信号相连，另一部分与检测模块的输出端相连，检测模块的输入端分别与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连，信号调理电路的输出端连接到模数转换器上，模数转换器的数据输出端连接到处理器数据输入端，处理器输出线性功率放大模块和开关式功率放大模块的指令信号所对应的数据，分别传送给两路数模转换器，两路数模转换器的输出端分别连接到线性功率放大模块和开关式功率放大模块的输入端；信号调理电路利用串联电阻分压电路和跟随电路实现，调整待采样电压达到模数转换电路所限制的输入范围之内，模数转换器用于将模拟的***输入信号和检测模块输出信号转换成数字信号，随后由处理器读取并计算出输出电压值，随后，数模转换电路将数字量转换成模拟量输出；处理器中采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法，开关式功率放大模块输出的电压和线性功率放大模块输出的电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和PID算法的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出；或者处理器中采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，将开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压反馈回复合控制器，与***输入做比较，同时***输入经过相位超前补偿和迭代学习控制的输出量进行叠加，再分别作为开关式功率放大模块和线性功率放大模块的指令信号，如此闭环控制开关式功率放大模块和线性功率放大模块的电压输出；以提高开关式功率放大模块输出的响应速度和跟踪精度。
3.如权利要求1或2所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述的开关式放大模块包括PWM调制比较电路，推挽式放大电路、低通滤波电路和电压反馈；其中，PWM调制比较电路由运算放大器、比较器和R2、CF组成；PWM调制比较电路采用PWM调制技术，将***输入信号(Vs)与一个参考三角波(VT)比较，产生与***输入相关的调制信号；推挽式放大电路由MOS管M1、M2组成，PWM调制比较电路输出的调制信号通过M1、M2交替开通进行功率放大；低通滤波电路由电感L1和电容C1组成，将功率放大信号中的模拟信号还原；RF的作用是进行电压反馈。
4.如权利要求3所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述的线性功率放大模块包括高压集成功率放大器和其***电路以及功放放大级电路；高压集成功率放大器***电路包括R1、R2、R3、R4、C1和C2，功放放大级电路包括R5、R6、R7、D1、Q1和Q2；高压集成功率放大器的输入与混合式电源控制模块的输出端相连；高压集成功率放大器的输出作为驱动电源与压电陶瓷执行器相连；高压集成功率放大器的放大系数通过调节反馈电阻R1和R4得到；R3和C1是作为补偿电阻和电容；Q1、R6、Q2、R7和D1组成扩流电路用于扩大输出电流的目的。
5.如权利要求4所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述检测模块输出端与混合式电源控制模块的输入端相连，输入端与开关式功率放大模块的输出端、线性功率放大模块的输出端相连；检测模块用于检测开关式功率放大模块和线性功率放大模块的输出电压，并将其反馈回混合式电源控制模块；
所述供电电源分别同混合式电源控制模块和开关式放大模块相连；用以混合式电源控制模块和开关式放大模块的供电。
6.如权利要求5所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：工作过程如下，首先，混合式电源控制模块对***输入信号和开关式功率放大模块以及线性功率放大模块的输出电压进行采样；之后，混合式电源控制模块采用PID与相位超前补偿结合的复合控制方法或者采用迭代学习控制与相位超前补偿结合的复合控制方法，产生开关式放大模块的指令，经过开关式放大模块的功率放大后，产生线性功率放大模块的动态供电电源；同时，混合式电源控制模块产生指令信号，作为线性功率放大模块的输入，经线性功率放大模块放大后输出功率信号，作为压电陶瓷执行器的驱动电源。
7.如权利要求6所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述的混合式电源控制模块控制开关式放大模块输出两路供电电压，较高供电电压相比线性功率放大模块的输出电压有一个余量电压，线性功率放大模块的输出电压相比较低供电电压有一个同样大小的余量电压，此余量电压比较小，其大小可在混合式电源控制模块中设置，且不随线性功率放大模块的输出电压变化而变化。
8.如权利要求7所述的一种开关线性混合式压电陶瓷驱动电路，其特征在于：所述供电电源分别同混合式电源控制模块和开关式放大模块相连；用以混合式电源控制模块和开关式放大模块的供电；所述的供电电源选择直流供电，要求能够提供外置±100V电压，以保证开关式功率放大模块的输出电压的范围达到±100V。
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