專利名稱：一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷作為理想的納米微位移元件，具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無(wú)噪 聲、不發(fā)熱等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微型機(jī)械制造、超精密加工、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域。驅(qū)動(dòng)電源用于為壓電陶瓷提供驅(qū)動(dòng)電壓，并通過(guò)控制電壓使壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)精確定 位。從原理上講，驅(qū)動(dòng)電源可分為電荷(電流)控制型和電壓控制型兩種。電荷控制 型驅(qū)動(dòng)電源基于對(duì)電容器充電原理，可以有效改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變，但壓電陶瓷的 內(nèi)阻很高，因而充電電流小，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，更適合于靜態(tài)或?qū)︻l響要求不高的場(chǎng)合。電壓控 制型驅(qū)動(dòng)電源是根據(jù)壓電陶瓷位移與其兩端電壓呈近似線性關(guān)系的原理，通過(guò)控制電壓來(lái) 控制位移。電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源主要有兩種形式。一種是基于DC-DC變換的開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電 源，這種方法的功率損耗小、效率高、體積小，但高頻干擾較大、電源輸出紋波較大、頻響范 圍較窄；另一種是直流放大式驅(qū)動(dòng)電源，這種電源輸出紋波小，但是閉環(huán)頻響帶寬較低。在空間光通信光束對(duì)接、高精度的機(jī)載和車(chē)載雷達(dá)天線指向跟蹤中，由于對(duì)精確 度要求高，大多采用電機(jī)+壓電陶瓷執(zhí)行器兩級(jí)復(fù)合指向方式。現(xiàn)有的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電 源都需要輸入220V交流電，但是航天器、飛機(jī)、車(chē)載雷達(dá)天線、機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)合大多采用 M 36V直流電，且現(xiàn)有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓一般為150 1000V。目前，尚未有 一種低直流電壓輸入的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。因此，設(shè)計(jì)一種低直流電壓輸入且具有寬頻響、高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有
重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決在實(shí)際工程中對(duì)低直流電壓輸入的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源 的需求問(wèn)題，提供一種低直流電壓輸入、寬頻響、高精度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及其控制方 法。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電源能夠提供三路驅(qū)動(dòng)電壓輸出，同時(shí)給三個(gè)壓電陶瓷工作平臺(tái)提供相 互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電壓。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，包括電源模塊、控制模塊、功率放大模塊和檢測(cè) 調(diào)理模塊。所述電源模塊用于給功率放大模塊提供穩(wěn)定的200V直流工作電壓，給控制模塊 和檢測(cè)調(diào)理模塊提供穩(wěn)定的士 15V直流工作電壓。該模塊內(nèi)部采用推挽結(jié)構(gòu)DC-DC變換器， 將外界輸入的M 36V直流電壓轉(zhuǎn)換成200V直流電壓；采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將M 36V直流電壓轉(zhuǎn)換成士 15V直流電壓。所述控制模塊用于完成位置閉環(huán)、輸入輸出接口、串口通信和人機(jī)界面功能。該 模塊由DSP控制器、三路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道和人機(jī)交互界面組成；DSP控制 器的輸出端分別與三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道、人機(jī)交互界面的輸入端相連，DSP控制器的輸入端與 三路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道相連。其中，三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道包括三個(gè)16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，作為控制模 塊與功率放大模塊的輸出接口 ；三路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道包括一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路開(kāi)關(guān)， 由多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，共同實(shí)現(xiàn)控制模塊的三路輸入；DSP控制器內(nèi)集成驅(qū)動(dòng)電源的控制 方法，控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷的精確定位及控制，并提供串口以便于與外部 的上位機(jī)相連，用于傳送壓電陶瓷的電壓、位移及控制數(shù)據(jù)；人機(jī)交互界面包括鍵盤(pán)和顯示 屏，用于人工輸入控制指令和顯示壓電陶瓷狀態(tài)。所述功率放大模塊用于完成控制模塊輸出的控制電壓(0 10V)到功率電壓 (0 150V)的轉(zhuǎn)換。該模塊采用三路高壓運(yùn)算放大器作為核心部件，完成三路功率放大及 三路驅(qū)動(dòng)輸出，每一路高壓運(yùn)算放大器中設(shè)計(jì)了有限流保護(hù)的電流放大電路用于增大功率 放大模塊三路驅(qū)動(dòng)輸出的電流。所述檢測(cè)調(diào)理模塊用于測(cè)量壓電陶瓷的位移，包括放大濾波電路、電阻應(yīng)變片和 精密電源。其中，電阻應(yīng)變片嵌入在壓電陶瓷內(nèi)部，精密電源輸出端與電阻應(yīng)變片的輸入端 相連接，為其提供精確地電源，電阻應(yīng)變片的輸出端與放大濾波電路的輸入端相連。通過(guò)放 大濾波電路對(duì)壓電陶瓷內(nèi)部嵌入的電阻應(yīng)變片的毫伏級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大，并經(jīng)過(guò)低 通濾波后，得到0 IOV的壓電陶瓷的位移信號(hào)，傳輸給控制模塊。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電源各組成部分的連接關(guān)系如下電源模塊和其他三個(gè)模塊相連接，為這些模塊提供工作電壓?？刂颇K的三路數(shù) 模轉(zhuǎn)換通道輸出端分別與功率放大模塊的三路高壓運(yùn)算放大器輸入端相連，功率放大模塊 的輸出端與壓電陶瓷的輸入相連。被控制壓電陶瓷的輸出端與檢測(cè)調(diào)理模塊的輸入端相 連。檢測(cè)調(diào)理模塊的輸出端與控制模塊的輸入端相連。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電源功率放大模塊可 提供三路輸出端，同時(shí)連接并控制三個(gè)壓電陶瓷，此時(shí)，每一個(gè)壓電陶瓷連接一個(gè)檢測(cè)調(diào)理 模塊。本驅(qū)動(dòng)電源的控制過(guò)程如下首先，電源模塊把外界輸入的M 36V直流電壓轉(zhuǎn)換成其他三個(gè)模塊工作所需的 電壓。當(dāng)檢測(cè)調(diào)理模塊檢測(cè)到壓電陶瓷的位置信號(hào)，經(jīng)其放大、濾波后，通過(guò)控制模塊的多 路開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入到控制模塊的DSP控制器中；DSP控制器通過(guò)人機(jī)交互界面得到 需要執(zhí)行的操作，進(jìn)行運(yùn)算后得到控制信號(hào)給到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出控制壓電陶 瓷所需的模擬電壓；此模擬電壓經(jīng)過(guò)功率放大模塊放大并增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)后輸出到壓電陶瓷中， 使之產(chǎn)生位移。壓電陶瓷輸出的位移信號(hào)通過(guò)檢測(cè)調(diào)理模塊的放大和濾波后，輸入控制模 塊，被DSP控制器讀取與處理，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的實(shí)時(shí)位移測(cè)量。上述控制過(guò)程一直進(jìn)行直到 收到結(jié)束指令。為了精確地控制壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移，本發(fā)明在DSP控制器中實(shí)現(xiàn)了壓電 陶瓷的自適應(yīng)時(shí)變滑模控制首先，對(duì)控制對(duì)象壓電陶瓷進(jìn)行描述，將其等效于由非線性部分和線性部分串聯(lián) 組成。把非線性部分當(dāng)做整個(gè)壓電陶瓷的擾動(dòng)，則壓電陶瓷執(zhí)行器的狀態(tài)方程可表示如下
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于包括電源模塊、控制模塊、功率放大模塊和檢 測(cè)調(diào)理模塊；所述電源模塊用于給功率放大模塊提供穩(wěn)定的200V直流工作電壓，給控制模塊和檢 測(cè)調(diào)理模塊提供穩(wěn)定的士 15V直流工作電壓；模塊內(nèi)部采用推挽結(jié)構(gòu)DC-DC變換器，將外界 輸入的M 36V直流電壓轉(zhuǎn)換成200V直流電壓；采用電壓轉(zhuǎn)換芯片將M 36V直流電壓 轉(zhuǎn)換成士 15V直流電壓；所述控制模塊用于完成位置閉環(huán)、輸入輸出接口、串口通信和人機(jī)界面功能；該模塊由 DSP控制器、三路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道和人機(jī)交互界面組成；其中，DSP控制器 的輸出端分別與三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道、人機(jī)交互界面的輸入端相連，DSP控制器的輸入端與三 路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道相連；三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道包括三個(gè)16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，作為控制模塊與功率 放大模塊的輸出接口 ；三路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道包括一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路開(kāi)關(guān)，由多路開(kāi) 關(guān)進(jìn)行切換，共同實(shí)現(xiàn)控制模塊的三路輸入；DSP控制器內(nèi)集成驅(qū)動(dòng)電源的控制方法，控制 整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷的精確定位及控制，并提供串口以便于與外部的上位機(jī)相 連，用于傳送壓電陶瓷的電壓、位移及控制數(shù)據(jù)；人機(jī)交互界面包括鍵盤(pán)和顯示屏，用于人 工輸入控制指令和顯示壓電陶瓷狀態(tài)；所述功率放大模塊用于完成控制模塊輸出的控制電壓(0 10V)到功率電壓(0 150V)的轉(zhuǎn)換；采用三路高壓運(yùn)算放大器作為核心部件，完成三路功率放大及三路驅(qū)動(dòng)輸 出，每一路高壓運(yùn)算放大器中設(shè)計(jì)了有限流保護(hù)的電流放大電路用于增大功率放大模塊三 路驅(qū)動(dòng)輸出的電流；所述檢測(cè)調(diào)理模塊用于測(cè)量壓電陶瓷的位移，包括放大濾波電路、電阻應(yīng)變片和精密 電源；其中，電阻應(yīng)變片嵌入在壓電陶瓷內(nèi)部，精密電源輸出端與電阻應(yīng)變片的輸入端相連 接，為其提供精確地電源，電阻應(yīng)變片的輸出端與放大濾波電路的輸入端相連；通過(guò)放大濾 波電路對(duì)壓電陶瓷內(nèi)部嵌入的電阻應(yīng)變片的毫伏級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大，并經(jīng)過(guò)低通濾 波后，得到0 IOV的壓電陶瓷的位移信號(hào)，傳輸給控制模塊；各組成部分的連接關(guān)系如下電源模塊和其他三個(gè)模塊相連接，為這些模塊提供工作 電壓；控制模塊的三路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道輸出端分別與功率放大模塊的三路高壓運(yùn)算放大器輸 入端相連，功率放大模塊的輸出端與壓電陶瓷的輸入相連；被控制壓電陶瓷的輸出端與檢 測(cè)調(diào)理模塊的輸入端相連；檢測(cè)調(diào)理模塊的輸出端與控制模塊的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于功率放大模塊可提供 三路輸出端，同時(shí)連接并控制三個(gè)壓電陶瓷，此時(shí)，每一個(gè)壓電陶瓷連接一個(gè)檢測(cè)調(diào)理模 塊。
3.一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的控制方法，其特征在于具體實(shí)現(xiàn)步驟為步驟1，在驅(qū)動(dòng)電源對(duì)壓電陶瓷的第η次控制過(guò)程中，檢測(cè)電路檢測(cè)到壓電陶瓷的實(shí)時(shí) 位置信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)傳給DSP控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取，得到壓電陶瓷 該時(shí)刻的實(shí)際輸出位移yn ；DSP控制器從人機(jī)交互界面或者上位機(jī)中得到該次控制過(guò)程中 壓電陶瓷要進(jìn)行的期望位移fn ；求得當(dāng)前位移誤差％ = yn-fn ；第η次控制的位移誤差一階導(dǎo)數(shù)= en-en_x，η為控制過(guò)程的執(zhí)行次數(shù)；第η次控制的期望位移一階導(dǎo)數(shù)又=H，二階導(dǎo)數(shù)義=/ ；特別的，當(dāng)控制過(guò)程第一次開(kāi)始時(shí)，初始位移誤差e1 = y1-f1，并取f0 = 0，初始期望位移導(dǎo)數(shù)f0=0'e0 = 0 ；步驟2，根據(jù)步驟1的當(dāng)前位移誤差及其導(dǎo)數(shù)，計(jì)算具有指數(shù)收斂性質(zhì)的時(shí)變滑 模面值；滑模面
全文摘要
本發(fā)明屬于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法。驅(qū)動(dòng)電源具體包括電源模塊、控制模塊、功率放大模塊和檢測(cè)調(diào)理模塊；并在控制模塊的DSP控制器設(shè)計(jì)壓電陶瓷的自適應(yīng)時(shí)變滑?？刂品椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)了精確控制壓電陶瓷執(zhí)行器的輸出位移。本發(fā)明的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源及其控制方法可在低直流電壓輸入下使用，且寬頻響、高精度，能夠克服壓電陶瓷自身的非線性特性；能夠提供三路驅(qū)動(dòng)電壓輸出，同時(shí)給一至三個(gè)壓電陶瓷工作平臺(tái)提供相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電壓；可廣泛適用于高精度的機(jī)載和車(chē)載雷達(dá)天線指向跟蹤中，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102064732SQ20101054790
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者劉向東, 惠德學(xué), 賴志林, 陳振, 魏宏剛 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)