CN106301068B - 一种数字驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电陶瓷驱动控制技术领域，具体公开一种数字驱动电源。本发明设计的数字驱动电源，首先使用电流放大电路改善高压放大器的低频特性，其次使用数模转换电路作为模拟信号和数字信号的接口，再利用低功耗的数字控制的电路实现对算法和数字控制部分的实现，具备结构简单，组成电路灵活的特点；同时具备动态性能好，输出电流大等优点，可以实现对输出电压的数字控制。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷驱动控制技术领域，特别涉及一种数字驱动电源。
背景技术
光学及精密机械的场合都需要较高的位移分辨率，它们对运动位置的精度要求能达到纳米级别，压电陶瓷依据压电效应的原理，使用特殊的压电材料烧结而成，具有体积小、位移分辨率高、动态性能好、发热小等特点，在高精度的纳米定位的场合中有着非常广泛的应用。
通常为了充分发挥压电陶瓷的性能，压电陶瓷需要配备高精度的压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷电源最终决定了压电陶瓷的位移精度。当前的压电陶瓷驱动电源中，主要有两种设计方案：电压控制方案和电荷控制方案。其中，电荷控制方案可以有效的补偿压电陶瓷的磁滞特性，成为当前研究的热点，但是电荷控制方案也有动态性能不高的缺点；电荷控制方案有很好的动态性能，电路的软硬件补偿灵活，这种方法在压电陶瓷驱动中应用广泛。
压电陶瓷驱动电源解决方案中，APEX公司研发出一系列的高压运算放大器，通过该高压运算放大器可以便捷的组成压电陶瓷驱动电源，组成的压电陶瓷电源具有体积小，散热设计方便等优点；但是高压运算放大器的低频性能比较差，尤其在发热量比较大的情况下，温度变化引入的低频噪声恶化了电路的性能，使其难以组成高精度的压电陶瓷驱动电源。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种数字驱动电源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
数字控制电路，用于将用户的输入转换为数字控制信号；
数模转换电路，与所述数字控制电路电连接，用于将所述数字控制信号转换为模拟信号；
模拟放大电路，与所述数模转换电路电连接，用于将所述模拟信号进行放大得到驱动信号以供所述压电陶瓷使用。
一些实施例中，所述电源还包括：
充放电电路，与所述模拟放大电路电连接，用于稳定所述驱动信号以供所述压电陶瓷使用。
另一些实施例中，所述模拟放大电路包括：
高压放大电路以及电流放大电路，
所述高压放大电路包括PA95高电压线性放大器；
所述电流放大电路包括用于减小所述模拟放大电路交越失真的偏置电路以及用于对所述模拟信号进行放大的场效应管，所述偏置电路与所述PA95高电压线性放大器的输出电源正极和输出电源负极电连接，所述偏置电路与所
本发明的有益效果在于：具备结构简单，组成电路灵活，同时具备动态性能好，输出电流大等优点，可以实现对输出电压的数字控制。
附图说明
图1为根据本发明的数字驱动电源一个实施例的电路模块图。
图2为根据本发明的数字驱动电源一个实施例的电路连接图。
图3为根据本发明数字驱动电源一个实施例的系统控制图。
图4为根据本发明数字驱动电源一个实施例的测试图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
结合图1所示，本发明提供一种数字驱动电源，包括：
数字控制电路1，用于将用户的输入转换为数字控制信号；
数模转换电路2，与所述数字控制电路1电连接，用于将所述数字控制信号转换为模拟信号；
模拟放大电路3，与所述数模转换电路2电连接，用于将所述模拟信号进行放大得到驱动信号以供所述压电陶瓷使用。
数字控制电路1可以采用DSP数字控制电路1，可以将用户的输入转换为数字指令，以供数模转换电路2进行数模转换操作。
对于数模转换电路2具体可以将数字控制电路1的数字指令转换为模拟电压，将模拟电压通过模拟放大电路3进行电压放大以驱动压电陶瓷。
模拟放大电路3包括：
高压放大电路以及电流放大电路，
所述高压放大电路包括PA95高电压线性放大器；
所述电流放大电路包括用于减小所述模拟放大电路3交越失真的偏置电路以及用于对所述模拟信号进行放大的场效应管，所述偏置电路与所述PA95高电压线性放大器的输出电源正极和输出电源负极电连接，所述偏置电路与所述场效应管电连接，所述场效应管的电压输出端与所述压电陶瓷连接，所述PA95高电压线性放大器的电压输入端与所述数模转换电路2的输入端连接，所述偏置电路的正极接线端与所述PA95高电压线性放大器的电源正极连接，所述偏置电路的负极接线端与所述PA95高电压线性放大器的电源负极连接。
参图2所示，具体地说，高压放大电路使用PA95高电压线性放大器构成，PA95高电压线性放大器的同向输入端即引脚1作为控制电压输入，C1和R3是PA95高电压线性放大器组成的必备器件，分别用以进行频率补偿及输出电流限制，高压放大电路也可以使用其它同类型的PA系列高压运算放大器。电路的电流放大电路由D1、D2、R1、R2、R5、R6、M1及M2构成，R1、R2、R5、R6、D1及D2组成了MOS管偏置电路，主要用以减小电流放大电路的交越失真，M1及M2是大功率的场效应管，主要完成电流放大任务，电阻R7和R8组成了分压电阻网络，电阻R7和R8串联连接后一端接到输出电压VOUT上，另一端接地，电阻R7和R8的连接处与PA95高电压线性放大器的反向端连接。
由于压电陶瓷在电路上可以等效为一个μF级别的电容和MΩ级别的电阻并联，模拟放大器直接驱动大容量的电容会出现稳定性问题，为了解决这个问题，本发明采用了串联充放电电路4的技术特征，具体地，充放电电路4与模拟放大电路3电连接，充放电电路4可以为在压电陶瓷和模拟放大电路3之间串联一个大功率的电阻，可以有效的降低负载的惯性，增强系统的稳定性。
可选地，MOS管M1为IXTA10N60P高压MOS管，MOS管M2为IXTH10N60高压MOS管；电阻R2、R5、R7和R8为贴片电阻，电阻R3和R4为大功率电阻，电阻R1和R6为可变电阻，其变化范围为0-200k，D1和D2为1N4148二极管，高压放大电路中电容C1为陶瓷电容，高压放大电路的1脚和2脚分别为放大电路的同向输入端和反向输入端，4脚为高压放大电路的输出，5脚和6脚为高压放大电路的高压供电端，3脚为限流电阻连接端，7脚和8脚为补偿电容连接端；VOUT是高压放大电路的输出端；VCC为高压放大电路的正高电压供电，VSS为高压放大电路的负高电压供电。
具体地，其中反馈电阻分别为R1＝150KΩ，R2＝10KΩ。
制作数字驱动电源时，可以首先焊接电路的电流放大级，将滑动电阻R1和R6调整到最大值，VCC和VSS分别接入150V和-150V的电压，调整滑动变阻器的电阻，使二极管D1和D2连接处的电压值为0；然后焊接高压放大电路及其附属电路(电阻电容等)，最后焊接其它部分的电路(充放电电路等)，以完成数字驱动电源的制作。
上文中介绍了硬件结构，下面介绍一下如何进行利用上述数字驱动电源控制操作，下面进行具体介绍。
K1由数字控制电路实现，它是用户输入的数字控制算法，该数字控制算法通过数模转换电路，完成数字到模拟的转换工作，数模转换电路在控制结构上可以作为保持器和滤波器K2，高压放大电路G1，电流放大电路G2，充放电电路G3，H(s)通过电阻网络实现，整个系统的传递函数可以用公式(1)来表示，公示中YN(s)表示输出电压VOUT。
P＝(VCC-VSS)Is+VoIo (2)
依据功耗的角度进行分析，高压放大电路的功耗可以由公式(2)来表述，其中，Is为电路的静态电流，Vo和Io分别为电路的输出电压和输出电流。从公式中可以看到如果能降低输出电流，就可以降低输出功耗，从而减小芯片总的功耗，使芯片发热量减小而使芯片受温度影响而带来的温漂减小。电流放大电路的输入电流小，可以有效的降低高压放大电路的功耗，以此提高系统的热稳定性。
结合如4所示，压电陶瓷驱动中，在图3的控制结构中，H(s)反馈系数可以为16，这样就组成了放大倍数为16倍的数字驱动电源。在数字控制器中编写程序，通过数模转换电路发生微小的方波，使用示波器检测电压输出端的电压波形，得到波形图示如图4所示，分析输入电压和输出电压对应的波形图，通过观察可以得到数字驱动电源分辨率优于10mV。
本发明提供的数字驱动电源充分的考虑了系统的控制结构，依据热分析的原理而提出，具备结构简单，组成电路灵活，同时具备动态性能好，输出电流大等优点，可以实现对压电陶瓷的数字控制。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种数字驱动电源，其特征在于，用于压电陶瓷，所述电源包括：
数字控制电路，用于将用户的输入转换为数字控制信号；
数模转换电路，与所述数字控制电路电连接，用于将所述数字控制信号转换为模拟信号；
模拟放大电路，与所述数模转换电路电连接，用于将所述模拟信号进行放大得到驱动信号以供所述压电陶瓷使用；所述模拟放大电路包括：高压放大电路以及电流放大电路，所述高压放大电路包括PA95高电压线性放大器；所述电流放大电路包括用于减小所述模拟放大电路交越失真的偏置电路以及用于对所述模拟信号进行放大的场效应管，所述偏置电路与所述PA95高电压线性放大器的输出电源正极和输出电源负极电连接，所述偏置电路与所述场效应管电连接，所述场效应管的电压输出端与所述压电陶瓷连接；所述偏置电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R5、电阻R6、二极管D1及二极管D2；所述PA95高电压线性放大器的电压输入端与所述数模转换电路2的输入端连接，所述偏置电路的正极接线端与所述PA95高电压线性放大器的电源正极连接，所述偏置电路的负极接线端与所述PA95高电压线性放大器的电源负极连接；电阻R7和R8组成了分压电阻网络，电阻R7和R8串联连接后一端接到输出电压VOUT上，另一端接地，电阻R7和R8的连接处与PA95高电压线性放大器的反向端连接；
所述电阻R2和所述电阻R5均为贴片电阻，所述电阻R1和所述电阻R6均为可调电阻，所述二极管D1和所述二极管D2为稳压二极管；其中反馈电阻分别为R1＝150KΩ，R2＝10KΩ；
制作数字驱动电源时，首先焊接电路的电流放大级，将滑动电阻R1和R6调整到最大值，VCC和VSS分别接入150V和-150V的电压，调整滑动变阻器的电阻，使二极管D1和D2连接处的电压值为0；然后焊接高压放大电路及其附属电路，最后焊接其它部分的电路，其中，VVC为高压放大电路的正高电压供电，VSS为高压放大电路的负高电压供电；
在控制所述数字驱动电源工作时，K1由数字控制电路实现，由用户输入的数字控制算法通过数模转换电路，完成数字到模拟的转换工作，数模转换电路在控制结构上作为保持器和滤波器K2，高压放大电路G1，电流放大电路G2，充放电电路G3，H(s)通过电阻网络实现，整个系统的传递函数可以用公式(1)来表示，公示中YN(s)表示输出电压VOUT；
P＝(VCC-VSS)Is+VoIo (2)
高压放大电路的功耗由公式(2)表述，其中，Is为电路的静态电流，Vo和Io分别为电路的输出电压和输出电流。
2.如权利要求1所述的数字驱动电源，其特征在于，所述电源还包括：
充放电电路，与所述模拟放大电路电连接，用于稳定所述驱动信号以供所述压电陶瓷使用。
3.如权利要求1所述的数字驱动电源，其特征在于，所述偏置电路为MOS管偏置电路，所述场效应管为MOS管。
4.如权利要求3所述的数字驱动电源，其特征在于，所述稳压二极管为1N4148二极管，所述MOS管为IXTH10N60高压MOS管。
5.如权利要求1所述的数字驱动电源，其特征在于，所述高压放大电路的反馈系数为16。
6.如权利要求2所述的数字驱动电源，其特征在于，所述充放电电路包括一电阻，所述电阻和所述压电陶瓷串联。
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