[发明专利]动态双极性压电陶瓷驱动电源和实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动电源领域，特别涉及一种动态双极性压电陶瓷驱动电源， 它具有直流输出和动态至音频范围的宽频带驱动能力，并具有正负双极性输出功能，适 合于压电陶瓷驱动器等容性负载的宽频带动态双极性驱动电源。

背景技术

压电陶瓷驱动器是新型的微型驱动器件，其利用压电陶瓷的逆压电效应原理工作，因 具有纳米级分辨率和快速响应速度的特点，在微电子和精密机械领域具有广泛的应用前 景。压电陶瓷驱动器属于一种容性负载，通常具有较大的等效电容，虽然此类负载在静 态情况下消耗功率很小，需要的维持电流也很小，但在动态情况下，需要的驱动电流与 其等效电容、驱动电压、驱动频率三者成正比，其等效阻抗随频率升高而降低，即随频 率提高所需动态驱动电流越高，在需要输出高压、高频率动态驱动时，其驱动电源应具 有高输出电流和高的峰值输出功率。目前的驱动电路尚不能在高频率范围内提供可靠的 驱动能力，压电驱动器的快速响应能力受到了限制，并且大部分只能提供单向驱动，对 于需要正负双极性驱动的场合也无法满足要求，因此驱动电源的驱动能力不足成为压电 驱动器动态应用的瓶颈。另外，在实际应用中如何能快速准确地产生各种驱动波形并且 能够动态调整改变，以适应各类压电陶瓷驱动器功能测试或应用调试，也是使用压电陶 瓷人员比较关注的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态双极性压电陶瓷驱动电源和实现方法，可以解决目 前容性负载驱动电源在高频范围内驱动能力的不足，通过提高驱动电流的方法为压电陶 瓷等容性负载提供宽范围的动态高功率驱动电源，具有正负双向电压输出能力，以满足 压电驱动器件的双向运动需要。并利用虚拟仪器概念设计了控制软件产生信号波形，由 计算机通过数模转换输出到放大驱动单元，可以产生可调直流信号及正弦、方波、三角 波等各种标准波形，且可根据需要进行复杂波形扩展，实现了控制准确灵活、适应性好、 稳定性高的特点。

本发明提供的一种动态双极性压电陶瓷驱动电源包括：

信号波形发生单元，用于产生需要得各种标准或自定义波形，以适应不同的驱动要求。

直流供电单元，用于为信号放大驱动单元提供所需的正负直流电压。

信号放大驱动单元，用于承担前级模拟信号的电压放大和功率放大，实现对负载的大 功率驱动。

信号波形发生单元的结构采用计算机及虚拟仪器软件程序、数模转换卡硬件共同构 成，其工作原理为通过基于计算机上的虚拟仪器软件平台开发的波形产生软件，根据需 要设置输出信号类型、频率、幅值、电压偏置等参数，并生成对应的离散化波形数据， 该信号波形数据经由USB端口接数模转换板的输入端，经过数模转换后产生模拟信号， 送到下一级放大驱动单元。

信号放大驱动单元结构包括两级放大，第一级为电压放大级，采用高压集成运放形式， 负责对前一级信号波形发生单元的信号进行电压放大，第二级为功率放大，采用多组 NMOS管和PMOS管构成推挽形式的互补输出，实现对第一级电压放大的电流扩展，采 用的多组并联推挽提高了电源的输出能力。信号波形发生单元输出的模拟信号连结到第 一级电压放大的输入端，第一级电压放大的输出端连接到第二级电流放大的输入端，第 二级的输出端连接到容性负载，可以为压电陶瓷等容性负载提供较高的驱动功率。为防 止MOS管在瞬时或连续高电流下损坏，在工作电路中为每个MOS管设计了限流电路， 通过限流取样电阻获取输出电流，一旦输出电流超过预定值，限流三极管导通，从而限 制输出电流的增大，实现对MOS管的过流保护。

直流供电单元结构包括：两路变压、整流、滤波电路组成，分别输出正电压和负电 压提供给信号放大驱动单元。采用了两路独立的电路，分别将220伏交流电连接到隔离 变压器的输入级，变压器的输出级连接到整流桥的输入端，整流桥的输出端连接接滤波 电路，实现电源的降压，并将单向不稳定脉动电压转换为稳定的直流电压。最后将两路 直流电源进行串联，第一路的负极连接第二路的正极，并将其作为公用端接地，第一路 的正极输出为正电压，第二路的负极输出为负电压，并将其分别连接到信号放大驱动单 元的正负电压输入端Vp和Vn。