[發(fā)明專利]自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910072375.8
• 申請(qǐng)日: 2009-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN101582652A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 榮偉彬;汝長(zhǎng)海;孫立寧;黃春;杜志博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/00
• 分類號(hào): H02N2/00;H03K3/02
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司
• 代理人: 劉 婭

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是電源的領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，是一種容性微致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源。

(二)背景技術(shù)

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。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們所研究的范疇也從宏觀世界發(fā)展到了對(duì)微觀世界，而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器正好適應(yīng)了這一發(fā)展的需要，因此世界各國(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。目前廣泛研究的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方法主要有電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。電流驅(qū)動(dòng)方法其開環(huán)控制線性良好，帶負(fù)載能力強(qiáng)，頻帶寬，但低頻穩(wěn)定性差，存在電荷泄漏、輸出電壓飽和以及零點(diǎn)位移控制困難等問題。而電壓驅(qū)動(dòng)方法雖然具有較好的穩(wěn)定性及靜態(tài)特性，但在高速運(yùn)動(dòng)條件下，其帶負(fù)載能力顯著下降，并且其閉環(huán)頻響帶寬較低(1Kz以下)針對(duì)目前壓電陶瓷被廣泛應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)燃油噴射，精細(xì)電火花加工等復(fù)雜環(huán)境中，不僅對(duì)定位的精度有一定的要求，對(duì)于動(dòng)態(tài)性能和功率的要求也是越來越高，而高動(dòng)態(tài)和大功率輸出是比較矛盾的，因此如何解決這種矛盾具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠用于精細(xì)電火花加工等對(duì)動(dòng)態(tài)和功率要求比較高場(chǎng)合，采用FPGA實(shí)現(xiàn)自帶信號(hào)發(fā)生單元，并采用橋式電路進(jìn)行信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)大功率輸出的自帶信號(hào)發(fā)生器的高動(dòng)態(tài)大功率橋式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：它包括信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元3個(gè)部分，信號(hào)發(fā)生單元和功放模塊中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤液晶等控制功能，功放模塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，MCU單元還連接有鍵盤、液晶和串口，功放模塊連接模擬輸入單元，MCU單元和功放模塊分別連接保護(hù)電路，信號(hào)發(fā)生單元、功放模塊和MCU單元分別連接供電電源單元。

本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征：

1、所述的信號(hào)發(fā)生單元包括基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括依次連接的累加器、數(shù)據(jù)鎖存器、波形存儲(chǔ)器和DA轉(zhuǎn)換裝置；

2、所述的功率放大單元采用橋式率放大結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)放大器橋式連接；

3、所述的信號(hào)發(fā)生單元采用前級(jí)主放大器和后級(jí)單位增益反相放大器組成橋式電路，將電壓轉(zhuǎn)換速率和輸出功率提升一倍，同時(shí)降低了放大器的供電電壓，采用正負(fù)雙極性低壓供電。

本發(fā)明系統(tǒng)還采用電壓檢測(cè)、電流限制和溫度保護(hù)單元，確保在大功率輸出時(shí)系統(tǒng)的安全性，本發(fā)明通過液晶和鍵盤操作可以選擇模擬信號(hào)輸入和信號(hào)發(fā)生單元信號(hào)輸入兩種方式，輸入信號(hào)經(jīng)過功放模塊放大輸出，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷等容性負(fù)載。經(jīng)過試驗(yàn)證明，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源能在保證一個(gè)較寬的工作帶寬的前提之下，有效地提高了輸出的功率，解決了傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出功率同帶寬之間的矛盾。

(四)附圖說明

圖1為電源的原理拓?fù)鋱D；

圖2為改進(jìn)型DDS原理拓?fù)鋱D；

圖3-圖4為未加濾波器輸出的1Hz和1KHz正弦波波形示意圖；

圖5-圖6為未加濾波器輸出的1Hz和1KHz三角波波形示意圖；

圖7-圖8為未加濾波器輸出的1Hz和1KHz鋸齒波波形示意圖；

圖9-圖10為加濾波器輸出的100Hz和20KHz正弦波波形示意圖；

圖11-圖12為加濾波器輸出的100Hz和20KHz三角波波形示意圖；

圖13-圖14為加濾波器輸出的100Hz和20KHz鋸齒波波形示意圖；

圖15為橋式功率放大的原理示意圖；

圖16為頻率為206Hz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖；

圖17為頻率為8.5KHz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖；

圖18為頻率為24KHz空載動(dòng)態(tài)特性示意圖；

圖19-圖20為頻率為1KHz和3KHz輸出為60V的帶載特性示意圖；

圖21-圖22為頻率為1KHz和3KHz輸出為80V的帶載特性示意圖。

(五)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：

1、本發(fā)明的原理拓?fù)淙鐖D1所示：

本實(shí)施例采用開關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)供電，輸出效率能達(dá)到90％以上。整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分，信號(hào)發(fā)生單元，功放模塊，中間采用MCU單元進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)鍵盤液晶等控制功能，功放模塊輸出對(duì)PZT致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這個(gè)系統(tǒng)還采用電壓檢測(cè)，電流限制，和溫度保護(hù)等功能，確保在大功率輸出時(shí)系統(tǒng)的安全性。

2、基于DDS的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器