[发明专利]自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是电源的领域，具体涉及一种应用是驱动压电陶瓷，是一种容性微致动器的驱动电源。

(二)背景技术

压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点，是一种理想的微位移元件。随着科学技术的不断发展，我们所研究的范畴也从宏观世界发展到了对微观世界，而压电陶瓷驱动器正好适应了这一发展的需要，因此世界各国都竞相开展对压电陶瓷驱动电源技术的研究。目前广泛研究的压电陶瓷驱动方法主要有电压驱动和电流驱动。电流驱动方法其开环控制线性良好，带负载能力强，频带宽，但低频稳定性差，存在电荷泄漏、输出电压饱和以及零点位移控制困难等问题。而电压驱动方法虽然具有较好的稳定性及静态特性，但在高速运动条件下，其带负载能力显著下降，并且其闭环频响带宽较低(1Kz以下)针对目前压电陶瓷被广泛应用在内燃机燃油喷射，精细电火花加工等复杂环境中，不仅对定位的精度有一定的要求，对于动态性能和功率的要求也是越来越高，而高动态和大功率输出是比较矛盾的，因此如何解决这种矛盾具有重要的理论意义和实用价值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够用于精细电火花加工等对动态和功率要求比较高场合，采用FPGA实现自带信号发生单元，并采用桥式电路进行信号放大，实现高动态大功率输出的自带信号发生器的高动态大功率桥式压电陶瓷驱动电源。

本发明的目的是这样实现的：它包括信号发生单元、功放模块和MCU单元3个部分，信号发生单元和功放模块中间采用MCU单元进行连接并实现键盘液晶等控制功能，功放模块输出对PZT致动器进行驱动，MCU单元还连接有键盘、液晶和串口，功放模块连接模拟输入单元，MCU单元和功放模块分别连接保护电路，信号发生单元、功放模块和MCU单元分别连接供电电源单元。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的信号发生单元包括基于DDS的数字信号发生器，数字信号发生器包括依次连接的累加器、数据锁存器、波形存储器和DA转换装置；

2、所述的功率放大单元采用桥式率放大结构，用两个放大器桥式连接；

3、所述的信号发生单元采用前级主放大器和后级单位增益反相放大器组成桥式电路，将电压转换速率和输出功率提升一倍，同时降低了放大器的供电电压，采用正负双极性低压供电。

本发明系统还采用电压检测、电流限制和温度保护单元，确保在大功率输出时系统的安全性，本发明通过液晶和键盘操作可以选择模拟信号输入和信号发生单元信号输入两种方式，输入信号经过功放模块放大输出，驱动压电陶瓷等容性负载。经过试验证明，本发明所设计的压电陶瓷驱动电源能在保证一个较宽的工作带宽的前提之下，有效地提高了输出的功率，解决了传统压电陶瓷驱动电源的输出功率同带宽之间的矛盾。

(四)附图说明

图1为电源的原理拓扑图；

图2为改进型DDS原理拓扑图；

图3-图4为未加滤波器输出的1Hz和1KHz正弦波波形示意图；

图5-图6为未加滤波器输出的1Hz和1KHz三角波波形示意图；

图7-图8为未加滤波器输出的1Hz和1KHz锯齿波波形示意图；

图9-图10为加滤波器输出的100Hz和20KHz正弦波波形示意图；

图11-图12为加滤波器输出的100Hz和20KHz三角波波形示意图；

图13-图14为加滤波器输出的100Hz和20KHz锯齿波波形示意图；

图15为桥式功率放大的原理示意图；

图16为频率为206Hz空载动态特性示意图；

图17为频率为8.5KHz空载动态特性示意图；

图18为频率为24KHz空载动态特性示意图；

图19-图20为频率为1KHz和3KHz输出为60V的带载特性示意图；

图21-图22为频率为1KHz和3KHz输出为80V的带载特性示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

1、本发明的原理拓扑如图1所示：

本实施例采用开关电源为整个系统供电，输出效率能达到90％以上。整个系统分为3个部分，信号发生单元，功放模块，中间采用MCU单元进行连接并实现键盘液晶等控制功能，功放模块输出对PZT致动器进行驱动。这个系统还采用电压检测，电流限制，和温度保护等功能，确保在大功率输出时系统的安全性。

2、基于DDS的数字信号发生器