CN113904584B - 一种应用于压电复合纤维的高压驱动器 - Google Patents
一种应用于压电复合纤维的高压驱动器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，包括电源电压高电平输入端子、控制信号输入端子、基准电压调节旋钮、高压驱动信号输出端子、高速PWM控制电路、差分信号处理电路和低压转高压逆变电路。其中，电源电压高电平输入端子接收外部电源提供给驱动器，所述控制信号输入端子，接收上位机输出的控制信号，输入信号与电源共地；所述基准电压调节旋钮，调节输出最低电位对地电位差；所述高压驱动信号输出端子，输出高压信号直接驱动压电复合纤维；所述各部分电路呈电性连接，完成低压信号到高压驱动信号的逆变。本发明可接受多种类型的模拟信号输入，可以驱动不同面积的压电复合纤维，单板功率低，实用性强，可靠性高、体积小、成本低、易于维修。
Description
技术领域
本发明属于高压驱动器，具体地是一种专用于压电复合纤维的高压驱动器。
背景技术
目前国内关于压电复合纤维的驱动器，除了由智能材料公司设计的专用的驱动器，但是这种驱动器结构复杂，价格昂贵，不易维护并且由于信号的A/D,D/A转换，信号有不可忽略的失真；国内设计压电复合纤维驱动器大多功率很大，伴随的问题则是体积增大，重量增加，并且驱动通道越多，导致成本越高。
考虑到压电复合纤维片的粘贴数量，为了适用于不同场景，单片的压电复合纤维片的驱动功率并不高，为了方便压电纤维片的大范围使用，设计了这款应用于压电复合纤维的高压驱动器。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，接收控制信号，根据逆压电效应，致动压电复合纤维。其控制电路简单、成本低，可以多板联合使用，实现压电复合纤维片的阵列分布，并且同时实现单片控制的功能。
为实现上述目的所采用的技术方案是：一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，包括电路基板和设在基板上的高压驱动电路，所述高压驱动电路包括：控制信号输入端子经过输入信号转PWM控制信号电路连接差分信号处理电路，基准电压调节电位器经过基准电压转PWM载波信号电路连接差分信号处理电路，差分信号处理电路输出两路信号分别经过基准电压转高压逆变电路连接基准参考电压输出端口、经过控制信号转高压逆变电路连接高压驱动信号输出端口。
所述输入信号转PWM控制信号电路包括：PWM控制芯片U1的COMP端口经电容C2、电阻R2连接P1的CTL信号，电容C1、电阻R3串联后还与电容C2并联，P1输出12V电源依次经过二极管D1、保险丝RT1提供***电源VDD；COMP端口还连接差分信号处理电路的IN1-端口；U1的CS端口经过电容C3接地，电阻R4、R5串联后与电容C3并联；U1的VREF端口经电阻R6、电容C6接地，还经过电容C5接地，VDD端经过电容C4接地，OUT输出端输出PWM1信号连接控制信号转高压逆变电路。
所述基准电压转PWM载波信号电路包括：PWM控制芯片U2的COMP2端口经电容C8连接基准电压调节电位器滑动端，电容C7、电阻R9串联后还与电容C8并联，基准电压调节电位器滑动端经过电阻R8接地；COMP2端口还连接差分信号处理电路的IN2-端口；U2的CS2端口经过电容C9接地，电阻R10、R11串联后与电容C9并联；U2的VRFF2端口经电阻R13连接差分信号处理电路的IN1+端口、经过电容C11接地、依次经过电阻R12与电容C12接地；VDD端口经过电容C10接地；OUT输出端输出PWM2信号连接基准电压转高压逆变电路。
所述差分信号处理电路包括：差分芯片U3的COMP端口接收基准电压转PWM载波信号电路输出的信号，COMP2端口接收输入信号转PWM控制信号电路输出的信号，差分芯片U3输出两路信号OUT1、OUT2,OUT1经过二极管D5引出信号NOD1,再经过二极管D5引出信号NOD2，OUT1、NOD1、NOD2分别连接由N沟道场效应管Q3-Q5构成的分级累加放大器，分级累加放大器的Q5的源极经过电阻R21输出NOD3信号；NOD3信号还连接至高压驱动信号输出端口；
OUT2连接N沟道场效应管Q6的栅极，Q6的源极经过电阻R22输出J7/500V信号至基准参考电压输出端口，Q6的漏极接地。
所述基准电压转高压逆变电路包括：基准电压转PWM载波信号电路输出PWM2信号经过电阻R17连接N沟道场效应管Q2的栅极，Q2的源极连接变压器L2后输出信号LD再经过二极管D7、电容C18接地，二极管D7、电容C18之间引出J7/+500V信号至高压驱动信号输出端口。
所述控制信号转高压逆变电路包括：输入信号转PWM控制信号电路输出PWM1信号经过电阻R15连接N沟道场效应管Q1的栅极，Q1的源极连接变压器L1后输出信号LD1再经过电容C14、二极管D4后输出NOD3信号至高压驱动信号输出端口；二极管D2、D3串联后与电容C14并联，并在二极管D2、D3之间经过电容C15接地、经过电容C16连接至NOD3信号。
所述高压驱动信号逆变电路逆变输出的NOD3高压信号，通过高压驱动信号输出端口连接到压电复合纤维的正极。
所述基准电压逆变电路逆变输出的J7/500V基准电压信号，通过基准参考电压输出端口连接到压电复合纤维的负极。
本发明的优点和有益效果是：
1.电路简单、所用电子原件少、可靠性高、体积小、成本低、易于维修；
2.不仅能够良好的实现压电复合纤维的致动效果，对驱动电源的要求较小，在9-15伏都可使高压驱动器正常工作。
3.根据要求，可以通过改驱动器实现压电复合纤维片的单片独立致动，在控制时能更高的保持致动的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明输入信号转PWM高速控制信号电路原理图。
图3是本发明差分信号处理电路图。
图4是基准电压信号转PWM高速载波信号电路原理图。
图5是MOS管开关电路原理图。
图6是高压驱动信号逆变电路原理图。
图7是基准电压逆变原理图。
图8是高压驱动信号输出端口电路原理图。
其中，1电源电压高电平输入端子、2为电路板零电位参考点、3为控制信号输入端子、4为基准电压调节电位器、5为基准电压转PWM载波信号电路、6为差分信号处理电路、7为输入信号转PWM控制信号电路、8为基准电压转高压逆变电路、9为控制信号转高压逆变电路、10为高压驱动信号输出端口、11为基准参考电压输出端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
见图1，具体结构如下：本发明的压电复合纤维高压驱动器包括：电源电压高电平输入端子1、电路板零电位参考点2、控制信号输入端子3、基准电压调节电位器4、基准电压转PWM载波信号电路5、差分信号处理电路6、输入信号转PWM控制信号电路7、基准电压转高压逆变电路8、控制信号转高压逆变电路9、高压驱动信号输出端口10、基准参考电压输出端口11。电源电压高电平输入端子1采集外部电源为整个驱动器供电，电路板零电位参考点2提供驱动器测量信号零电位参考点，控制信号输入端子3接收外部信号，将信号传输至输入信号转PWM控制信号电路7，基准电压调节电位器4调节基准电压，将基准电压信号传输至基准电压转PWM载波信号电路5。基准电压调节电位器4调节基准电压，将基准电压信号传输至基准电压转PWM载波信号电路5，基准电压转PWM载波信号电路5将基准电压处理为高速PWM信号传输给差分信号处理电路6。控制信号输入端子3接收外部信号，将信号传输至输入信号转PWM控制信号电路7，输入信号转PWM控制信号电路7将外部接收到的信号处理为高速PWM信号传输给差分信号处理电路6。基准电压转PWM载波信号电路5，输入信号转PWM控制信号电路7，通过差分信号处理电路6，差分信号处理电路6内包含一个双通道运算放大器，通过该芯片，处理整合基准电压转PWM载波信号电路5，输入信号转PWM控制信号电路7输入的信号。差分信号处理电路6中的其中一路为处理的基准电压信号，该信号传输到基准电压转高压逆变电路8，将基准电压逆变到匹配压电复合纤维的电压。差分信号处理电路6中的其中一路为驱动电压信号，该信号传输到控制信号转高压逆变电路9，将输入的低压驱动信号，逆变到匹配压电复合纤维致动的高压电压信号。
见图2，输入信号转高速PWM控制信号电路7，主要核心芯片为UCC28C40，该芯片接收CTL信号，经过芯片内部电路处理输出高速PWM信号。电源端口过整流二级管D1然后过保险丝RT1给整个***供电，UCC28C40核心芯片及其***电路，输入信号CTL分别输入COMP端口和FB端口。输入信号转PWM控制信号电路7包括：PWM控制芯片U1的COMP端口经电容C2、电阻R2连接P1的CTL信号，电容C1、电阻R3串联后还与电容C2并联，P1输出12V电源依次经过二极管D1、保险丝RT1提供***电源VDD；COMP端口还连接差分信号处理电路6的IN1-端口；U1的CS端口经过电容C3接地，电阻R4、R5串联后与电容C3并联；U1的VREF端口经电阻R6、电容C6接地，还经过电容C5接地，VDD端经过电容C4接地，OUT输出端输出PWM1信号连接控制信号转高压逆变电路9。
见图3，差分信号处理电路6，核心芯片为MC34072，该芯片是双运算放大器芯片，两个运算放大器负向输入端分别连接UCC28C40芯片的COMP，提供用于补偿的放大器输出，正向输入端连接电路内部参考电压，该参考电压的值为5伏。
见图5，Q3-Q6均为N沟道场效应管，Q3-Q5接收图3中MC34072的OUT1输出信号，与NOD1，NOD2,NOD3进行分级累加放大输出，Q6接收图3中MC34072的OUT2输出信号，进行放大输出。
OUT1输出过两个二极管D5，D6分别引出节点NOD1,NOD2。差分芯片U3的COMP端口接收基准电压转PWM载波信号电路5输出的信号，COMP2端口接收输入信号转PWM控制信号电路7输出的信号，差分芯片U3输出两路信号OUT1、OUT2,OUT1经过二极管D5引出信号NOD1,再经过二极管D5引出信号NOD2，OUT1、NOD1、NOD2分别连接由N沟道场效应管Q3-Q5构成的分级累加放大器，分级累加放大器的Q5的源极经过电阻R21输出NOD3信号；NOD3信号还连接至高压驱动信号输出端口10。OUT1、NOD1、NOD2分别连接N沟道场效应管Q3-Q5的栅极，Q3的漏极接地，Q3的源极连接Q4的漏极，Q3的源极还经过电阻R19连接NOD1；Q4的源极连接Q5的漏极，Q4的源极还经过电阻R20连接NOD2；Q5的源极经过电阻R21输出NOD3信号。
OUT2连接N沟道场效应管Q6的栅极，Q6的源极经过电阻R22输出J7/500V信号至基准参考电压输出端口11，Q6的漏极接地；
见图4，基准电压转高速PWM载波信号电路，主要核心芯片为UCC28C40，此芯片为低功率高速PWM控制芯片，该芯片接收电位器R7调节的电压信号，经过芯片内部电路处理输出高速PWM信号。图中R7是基准电压设置电位器，通过该电位器可以设置压电复合纤维负极输入端参考电压的幅值，核心芯片UCC28C40***电路和图2***电路类似。所述基准电压调节旋钮为100k精密电位器。基准电压转PWM载波信号电路5包括：PWM控制芯片U2的COMP2端口经电容C8连接基准电压调节电位器4滑动端，电容C7、电阻R9串联后还与电容C8并联，基准电压调节电位器4滑动端经过电阻R8接地；COMP2端口还连接差分信号处理电路6的IN2-端口；U2的CS2端口经过电容C9接地，电阻R10、R11串联后与电容C9并联；U2的VRFF2端口经电阻R13连接差分信号处理电路6的IN1+端口、经过电容C11接地、依次经过电阻R12与电容C12接地；VDD端口经过电容C10接地；OUT输出端输出PWM2信号连接基准电压转高压逆变电路8。
见图6，控制信号转高压逆变电路9，接收输入信号转高速PWM控制信号，经过变压器，输入控制信号为非恒定信号、频率、幅值根据控制要求都可能改变，逆变电压最大值为2000伏，与基准电压做差，得到最终压电复合纤维的致动电压。Q1为N沟道场效应管，图2中UCC28C40输出的高速PWM控制信号PWM1，通过变压器L1高频振荡，在经过整流二极管D2-D4，完成逆变过程。控制信号转高压逆变电路9包括：输入信号转PWM控制信号电路7输出PWM1信号经过电阻R15连接N沟道场效应管Q1的栅极，Q1的源极连接变压器L1后输出信号LD1再经过电容C14、二极管D4后输出NOD3信号至高压驱动信号输出端口10；二极管D2、D3串联后与电容C14并联，并在二极管D2、D3之间经过电容C15接地、经过电容C16连接至NOD3信号。
见图7，基准电压转高压逆变电路8，接收基准电压转高速PWM载波信号，经过变压器，升压到正500伏，作为压电复合纤维的负极输入。Q2为N沟道场效应管，图4中UCC28C40输出的高速PWM基准电压信号PWM2，通过变压器L2高频振荡输出，为压电复合纤维提供基准电压。基准电压转高压逆变电路8包括：基准电压转PWM载波信号电路5输出PWM2信号经过电阻R17连接N沟道场效应管Q2的栅极，Q2的源极连接变压器L2后输出信号LD再经过二极管D7、电容C18接地，二极管D7、电容C18之间引出J7/+500V信号至高压驱动信号输出端口10。
见图8，为连接压电复合纤维的接线端子部分电路，其中R23-R27在压电复合纤维片致动过程中起过流保护作用。基准电压转PWM载波信号电路5输出的信号FB2经过电阻R23、R24输出J7/+500V信号至端子P2的1引脚。输入信号转PWM控制信号电路7输出的信号FB经过电阻R25、R26、R27输出J6/HVI信号至端子P2的2引脚,电阻R26、R27之间为NOD3信号节点。
图2中，接线端子P1的3引脚是电源电压高电平输入端子1，2引脚是为电路板零电位参考点2，1引脚是控制信号输入端子3。图8中，端子P2的2引脚是高压驱动信号输出端口10、1引脚是基准参考电压输出端口11。
在本发明的基础上，再D/A转换模块电路，可以和工控机的数字输出接口或者其他能输出PWM控制信号的嵌入式设备配合使用，多个驱动器之间信号不会互相干扰。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，包括电路基板和设在基板上的高压驱动电路，所述高压驱动电路包括：控制信号输入端子（3）经过输入信号转PWM控制信号电路（7）连接差分信号处理电路（6），基准电压调节电位器（4）经过基准电压转PWM载波信号电路（5）连接差分信号处理电路（6），差分信号处理电路（6）输出两路信号分别经过基准电压转高压逆变电路（8）连接基准参考电压输出端口（11）、经过控制信号转高压逆变电路（9）连接高压驱动信号输出端口（10）；
所述基准电压转高压逆变电路（8）包括：基准电压转PWM载波信号电路（5）输出PWM2信号经过电阻R17连接N沟道场效应管Q2的栅极，Q2的源极连接变压器L2后输出信号LD再经过二极管D7、电容C18接地，二极管D7、电容C18之间引出J7/+500V信号至高压驱动信号输出端口（10）；
所述控制信号转高压逆变电路（9）包括：输入信号转PWM控制信号电路（7）输出PWM1信号经过电阻R15连接N沟道场效应管Q1的栅极，Q1的源极连接变压器L1后输出信号LD1再经过电容C14、二极管D4后输出NOD3信号至高压驱动信号输出端口（10）；二极管D2、D3串联后与电容C14并联，并在二极管D2、D3之间经过电容C15接地、经过电容C16连接至NOD3信号。
2.根据权利要求1所述的一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，所述输入信号转PWM控制信号电路（7）包括：PWM控制芯片U1的COMP端口经电容C2、电阻R2连接P1的CTL信号，电容C1、电阻R3串联后还与电容C2并联，P1输出12V电源依次经过二极管D1、保险丝RT1提供***电源VDD；COMP端口还连接差分信号处理电路（6）的IN1-端口；U1的CS端口经过电容C3接地，电阻R4、R5串联后与电容C3并联；U1的VREF端口经电阻R6、电容C6接地，还经过电容C5接地，VDD端经过电容C4接地，OUT输出端输出PWM1信号连接控制信号转高压逆变电路（9）。
3.根据权利要求1所述的一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，所述基准电压转PWM载波信号电路（5）包括：PWM控制芯片U2的COMP2端口经电容C8连接基准电压调节电位器（4）滑动端，电容C7、电阻R9串联后还与电容C8并联，基准电压调节电位器（4）滑动端经过电阻R8接地；COMP2端口还连接差分信号处理电路（6）的IN2-端口；U2的CS2端口经过电容C9接地，电阻R10、R11串联后与电容C9并联；U2的VRFF2端口经电阻R13连接差分信号处理电路（6）的IN1+端口、经过电容C11接地、依次经过电阻R12与电容C12接地；VDD端口经过电容C10接地；OUT输出端输出PWM2信号连接基准电压转高压逆变电路（8）。
4.根据权利要求1所述的一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，所述差分信号处理电路（6）包括：差分芯片U3的COMP端口接收基准电压转PWM载波信号电路（5）输出的什么信号，COMP2端口接收输入信号转PWM控制信号电路（7）输出的什么信号，差分芯片U3输出两路信号OUT1、OUT2, OUT1经过二极管D5引出信号NOD1,再经过二极管D5引出信号NOD2，OUT1、NOD1、NOD2分别连接由N沟道场效应管Q3-Q5构成的分级累加放大器，分级累加放大器的Q5的源极经过电阻R21输出NOD3信号；NOD3信号还连接至高压驱动信号输出端口（10）；
OUT2连接N沟道场效应管Q6的栅极，Q6的源极经过电阻R22输出J7/500V信号至基准参考电压输出端口（11），Q6的漏极接地。
5.根据权利要求1所述的一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，所述控制信号转高压逆变电路（9）逆变输出的NOD3高压信号，通过高压驱动信号输出端口（10）连接到压电复合纤维的正极。
6.根据权利要求1所述的一种应用于压电复合纤维的高压驱动器，其特征在于，所述基准电压转高压逆变电路（8）逆变输出的J7/500V基准电压信号，通过基准参考电压输出端口（11）连接到压电复合纤维的负极。
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