[發(fā)明專利]一種直線驅(qū)動(dòng)器的宏微驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310667140.X
• 申請(qǐng)日: 2013-12-10
• 公開（公告）號(hào): CN103683967A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁莉;許志林;張鐵民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M5/458
• 分類號(hào): H02M5/458;H02M1/092
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 楊曉松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲功率電源研究領(lǐng)域，特別涉及一種直線驅(qū)動(dòng)器的宏微驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法。

背景技術(shù)

目前大行程驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)（精密絲杠傳動(dòng)、直線電機(jī)、音圈電機(jī)等）的精度一般限制在微米級(jí)。而以壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)為代表的微驅(qū)動(dòng)器的定位精度能夠達(dá)到納米級(jí)，但行程只能達(dá)到幾十微米。如何較好地實(shí)現(xiàn)大行程、高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精密定位已成為一個(gè)亟待解決的問題。

現(xiàn)有高分辨率直線推進(jìn)運(yùn)動(dòng)絕大部分由電磁電機(jī)完成，普遍借助于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加上滾珠絲杠而獲得直線運(yùn)動(dòng)，再加上微動(dòng)臺(tái)，但是由于存在中間變換環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了一系列不良后果，例如整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量增加，效率降低，傳動(dòng)精度降低，同時(shí)還不可避免的存在傳統(tǒng)電磁電機(jī)的諸多缺點(diǎn)，如電磁場(chǎng)干擾、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)等等，難以滿足當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)對(duì)直線電機(jī)精度、速度及結(jié)構(gòu)等要求，使機(jī)構(gòu)進(jìn)一步小型化和提高運(yùn)動(dòng)精度都十分困難。

直線超聲電機(jī)是直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的新型電動(dòng)機(jī)，具有直接驅(qū)動(dòng)、易控制、低噪聲、無磁場(chǎng)干擾、可以做到短、小、輕薄等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、光學(xué)儀器、武裝裝備、生物醫(yī)療、精密工業(yè)儀器、機(jī)器人等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

如果借鑒現(xiàn)有微驅(qū)動(dòng)和直線型超聲電機(jī)原理和技術(shù)，將宏動(dòng)與微動(dòng)有機(jī)結(jié)合并集成創(chuàng)新為集宏微運(yùn)動(dòng)于一體的新型直線電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)宏微直線運(yùn)動(dòng)，就可以使傳動(dòng)系統(tǒng)體積變小、分辨率和可靠性提高，加上與之相適應(yīng)的一套伺服控制系統(tǒng)，使其具有位置分辨率（可達(dá)納米級(jí)）高、體積小、比推力大、控制簡(jiǎn)便、響應(yīng)速度快、低噪聲、可靠性好等特點(diǎn)。

新型宏微直線驅(qū)動(dòng)器作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要與之對(duì)應(yīng)的新型宏微驅(qū)動(dòng)電源及控制方法。因?yàn)檫@不僅直接影響到新型直線驅(qū)動(dòng)器的性能發(fā)揮，而且影響到新型直線驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。目前有關(guān)壓電微驅(qū)動(dòng)器及超聲電機(jī)電源的研究很多，涉及到驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)、超聲頻率信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電源控制方式、供電方式等方面，并取得了一系列的成果。壓電微驅(qū)動(dòng)器及超聲電機(jī)都是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，縱觀現(xiàn)有的壓電微驅(qū)動(dòng)器及超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀，目前還沒有相關(guān)文獻(xiàn)或專利報(bào)道，試圖把這兩部分的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)合到一起實(shí)現(xiàn)新型宏微直線驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)與控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種直線驅(qū)動(dòng)器的宏微驅(qū)動(dòng)電源，該電源解決了傳統(tǒng)超聲換能器與壓電微驅(qū)動(dòng)器不能共用驅(qū)動(dòng)電源的問題，實(shí)現(xiàn)了超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一體化，且其輸出具有交直流可變、頻率、幅值及相位可調(diào)等特點(diǎn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于上述宏微驅(qū)動(dòng)電源的控制方法。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種直線驅(qū)動(dòng)器的宏微驅(qū)動(dòng)電源，包括控制電路、電壓變換電路、放大電路、半橋模塊、光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，其中控制電路用于接收并處理系統(tǒng)輸入的信號(hào)，然后產(chǎn)生的控制信號(hào)一路發(fā)送到放大電路，另一路經(jīng)光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行信號(hào)隔離后，驅(qū)動(dòng)半橋模塊；電壓變換電路用于向放大電路輸出宏微驅(qū)動(dòng)電源需要的各種幅值的直流，以及為宏微驅(qū)動(dòng)電源中各芯片供電；放大電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及雙級(jí)運(yùn)算放大電路，放大電路用于在控制電路控制下輸出半橋模塊所需的幅值可調(diào)的直流高壓電；半橋模塊包括由六個(gè)IGBT構(gòu)成的三路半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，根據(jù)光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路給出的不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)，工作在宏驅(qū)動(dòng)狀態(tài)或微驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，工作在宏驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出高頻高壓的交流電，工作在微驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出高壓直流電。控制電路通過調(diào)節(jié)放大電路中雙級(jí)運(yùn)算放大電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的頻率、幅值及相位的調(diào)節(jié)，通過光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路和半橋模塊中的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)變，同時(shí)，通過控制電路控制，可以通過光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)半橋模塊工作在宏驅(qū)動(dòng)狀態(tài)或微驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了超聲換能器驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一體化。

優(yōu)選的，所述控制電路包括輸入電路、控制器及狀態(tài)顯示模塊，其中控制器用于接收輸入電路的輸入信號(hào)，并初始化宏微驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)參數(shù)，作宏驅(qū)動(dòng)時(shí)，初始化超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值、頻率、相位和占空比；作微驅(qū)動(dòng)時(shí)，初始化輸出直流信號(hào)的幅值、方向；同時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)的變化，改變輸出信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)；所述輸入電路包括模擬信號(hào)處理單元和數(shù)字信號(hào)處理單元，模擬信號(hào)處理單元采用電阻分壓原理，輸出模擬信號(hào)給控制器，用于改變控制電路輸出信號(hào)的幅值、頻率及相位差，數(shù)字信號(hào)處理單元利用開關(guān)輸出數(shù)字信號(hào)給控制器，控制宏微驅(qū)動(dòng)電源的宏微驅(qū)動(dòng)切換；所述狀態(tài)顯示模塊用于顯示系統(tǒng)的所處狀態(tài)。