專利名稱：一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率驅(qū)動裝置，特別是關(guān)于一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷驅(qū)動器是利用壓電陶瓷的逆電壓效應(yīng)制作的驅(qū)動裝置。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將會產(chǎn)生機械形變，稱為逆壓電效應(yīng)。利用壓電陶瓷的逆電壓效應(yīng)，可以驅(qū)動執(zhí)行元件產(chǎn)生相應(yīng)的位 移，具有體積小、分辨率高以及響應(yīng)迅速等一系列優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在精密加工、生物工程、航空航天、機器人關(guān)節(jié)以及醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域。而性能良好的驅(qū)動器是該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的前提。根據(jù)壓電陶瓷的特性，結(jié)合諸多應(yīng)用領(lǐng)域，壓電陶瓷驅(qū)動器應(yīng)滿足以下要求1、驅(qū)動電源要穩(wěn)定，即穩(wěn)壓特性要好。2、輸出電壓較高，而且能夠隨控制信號的變化而變化，即驅(qū)動電源的線性特性要好。3、因驅(qū)動器工作在較高電壓下，對其安全性要求較高，驅(qū)動器應(yīng)有較完備的隔離和保護措施。4、可擴展性好。驅(qū)動電源應(yīng)用于不同場合，要求既能由自身產(chǎn)生多種信號，又可以外接信號輸入。此外，壓電陶瓷所需驅(qū)動電壓在百伏級別，遠高于人體安全電壓，因此對使用安全也提出了較高的要求。從原理上講，目前已有的驅(qū)動器分為電荷驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩種。電荷驅(qū)動型可以很好地改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變特性，但是響應(yīng)時間長，動態(tài)特性差，驅(qū)動裝置復(fù)雜不易于實現(xiàn)，因此實際中應(yīng)用不多。電壓驅(qū)動型又可以分為兩種一種是基于直流變換原理的開關(guān)式驅(qū)動電源，由于輸出級只工作在開和關(guān)兩種狀態(tài)，因此功耗小，效率高，但高頻干擾較大，電源輸出紋波也較大；另一種是采用高壓運算放大器的直流放大式驅(qū)動電源。這種電源靜態(tài)特性好，輸出紋波小，頻率響應(yīng)范圍較寬，但是對放大器的要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定性高、輸出電壓高、可擴展性好以及安全性較好的壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于它包括隔離變壓器、高壓電路、AC-DC模塊、低壓電路和線性光耦，220V交流電經(jīng)所述隔離變壓器后分別輸入所述高壓電路和AC-DC模塊，220V交流電經(jīng)所述AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入所述低壓電路中；所述低壓電路輸出端經(jīng)所述線性光耦與所述高壓電路耦合，由所述高壓電路輸出功率，實現(xiàn)對壓電陶瓷進行功率驅(qū)動；所述高壓電路包括全橋整流電路、濾波電路和放大器，所述全橋整流電路輸出端并聯(lián)一個由兩個串聯(lián)的續(xù)流電阻構(gòu)成的支路，該支路兩端分別經(jīng)一個過流保護電阻連接所述濾波電路輸入端，所述濾波電路輸出端連接所述放大器的正、負電源端；所述放大器的正、負電源端還分別連接一個穩(wěn)壓二極管。所述全橋整流電路采用四個型號為1N4007的四個整流二極管構(gòu)成；所述濾波電路由兩個串聯(lián)的電容與兩個串聯(lián)的電解電容并聯(lián)構(gòu)成；兩個所述過流保護電阻均采用PTC熱敏電阻；所述放大器采用型號為PA85的運算放大器。所述低壓電路包括信號發(fā)生器和信號運算處理器，所述隔離變壓器輸出的交流電經(jīng)所述AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入所述信號發(fā)生器，由所述信號發(fā)生器輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號，該信號經(jīng)所述信號運算處理器后轉(zhuǎn)換為單極性信號，經(jīng)所述線性光耦輸入所述高壓電路中的放大器信號輸入端。所述信號發(fā)生器包括單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述單片機根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)輸出的波形信號經(jīng)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號；所述單片機采用型號為ST89C51的單片機，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用型號為DAC0832的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。所述信號運算處理器包括電壓跟隨器和加法器，所述信號發(fā)生器輸出的雙極性信 號經(jīng)所述電壓跟隨器阻抗匹配后，輸入所述加法器將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號輸出。所述低壓電路的信號運算處理器輸出端與所述線性光耦輸入端之間，還連接有外部信號輸入接口，外部設(shè)備通過所述外部信號輸入接口向所述高壓電路中的放大器輸入單極性的波形信號；所述低壓電路中的單片機控制所述放大器的輸入信號選擇是由所述低壓電路輸入還是由所述外部信號輸入接口輸入。所述AC-DC模塊包括AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、5V穩(wěn)壓芯片、IOV穩(wěn)壓芯片和兩個反壓芯片，所述AC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出端分別連接所述5V穩(wěn)壓芯片、IOV穩(wěn)壓芯片和第一個所述反壓芯片，所述IOV穩(wěn)壓芯片輸出端連接第二個所述反壓芯片；所述AC/DC轉(zhuǎn)換模塊采用型號為HAS10-12的AC/DC模塊，所述5V穩(wěn)壓芯片采用的型號為L78M05，所述IOV穩(wěn)壓芯片采用的型號為L78M10，第一個所述反壓芯片采用的型號為LM2575，第二個所述反壓芯片采用的型號為 ICL7662。所述隔離變壓器采用I: I的變壓器；所述線性光耦采用型號為HCNR201的光耦。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用由隔離變壓器、高壓電路、低壓電路和線性光耦組成，低壓電路經(jīng)線性光耦與高壓電路耦合，以提高電路的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。2、本發(fā)明由于高壓電路由全橋整流電路、濾波電路和放大器構(gòu)成，放大器采用PA85運算放大器，其具有帶寬高、線性度好、輸出功率高的優(yōu)點。3、本發(fā)明由于采用隔離變壓器將驅(qū)動電路與市電隔離，采用線性光耦元件將高壓電路與低壓電路隔離，消除不同電路間的干擾，同時提高驅(qū)動電路的穩(wěn)定性和安全性。4、本發(fā)明由于在低壓電路輸出端與線性光耦輸入端之間還連接有外部信號輸入接口，外部設(shè)備通過外部信號輸入接口可以向放大器輸入單極性的波形信號，可擴展性較好。5、本發(fā)明由于在高壓電路部分采用PTC熱敏電阻以及穩(wěn)壓二極管，對電路進行過流及過壓保護，有效的提高了整個電路的安全性。因此，本發(fā)明可以在壓電陶瓷驅(qū)動中應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的高壓電路部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的低壓電路部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的AC-DC模塊電路示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖I所示，本發(fā)明是基于高壓運放的直流放大式驅(qū)動裝置，其包括隔離變壓器
I、高壓電路2、AC-DC模塊3、低壓電路4和線性光耦5，220V交流電經(jīng)隔離變壓器I后分別輸入高壓電路2和AC-DC模塊3，220V交流電經(jīng)AC-DC模塊3轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入低壓電路4中。低壓電路4輸出端經(jīng)線性光耦5與高壓電路2耦合，由高壓電路2輸出功率驅(qū)動，實現(xiàn)對壓電陶瓷進行功率驅(qū)動。上述實施例中，如圖I、圖2所示，高壓電路2包括全橋整流電路6、濾波電路7和放大器8，全橋整流電路6輸出端并聯(lián)一個由兩個串聯(lián)的續(xù)流電阻R1、R2構(gòu)成的支路，該支 路兩端分別經(jīng)一個過流保護電阻R3和R4連接濾波電路7輸入端，為整個電路提供過流保護。濾波電路7輸出端連接放大器8的正、負電源端，為放大器8供電。放大器8的正、負電源端還分別連接一個穩(wěn)壓二極管Dl和D2，為放大器8提供過壓保護。其中，全橋整流電路6采用四個型號為1N4007的四個整流二極管D3 D6構(gòu)成；濾波電路7由兩個串聯(lián)的電容C1、C2與兩個串聯(lián)的電解電容C3、C4并聯(lián)構(gòu)成；兩個過流保護電阻R3和R4均采用PTC (正溫度系數(shù))熱敏電阻；放大器8采用型號為PA85的運算放大器。上述各實施例中，如圖3所示，低壓電路4包括信號發(fā)生器9和信號運算處理器10，由隔離變壓器I輸出的交流電經(jīng)AC-DC模塊3轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入信號發(fā)生器9。信號發(fā)生器9輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號，該信號經(jīng)信號運算處理器10后轉(zhuǎn)換為單極性信號，經(jīng)線性光耦5輸入放大器8的信號輸入端，經(jīng)過放大后對壓電陶瓷進行功率驅(qū)動。其中，信號發(fā)生器9包括單片機MCU和數(shù)模轉(zhuǎn)換器11，單片機MCU根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)輸出的波形信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器11轉(zhuǎn)換為模擬量，輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號。單片機MCU可以采用型號為ST89C51的單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器11可以采用型號為DAC0832的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，也可根據(jù)具體需要選用其他滿足性能的單片機MCU型號與數(shù)模轉(zhuǎn)換器11型號。信號運算處理器10包括電壓跟隨器12和加法器13，信號發(fā)生器9輸出的雙極性信號經(jīng)電壓跟隨器12進行阻抗匹配后，輸入加法器13，將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號輸出。上述實施例中，如圖I、圖3所示，在低壓電路4的信號運算處理器10輸出端與線性光耦5輸入端之間，還連接有外部信號輸入接口 14，外部設(shè)備通過外部信號輸入接口 14向放大器8輸入單極性的波形信號，使本發(fā)明具有較好的可擴展性。單片機MCU控制放大器8的輸入信號選擇是由低壓電路4輸入還是由外部信號輸入接口 14輸入。上述各實施例中，如圖4所示，AC-DC模塊3包括AC/DC轉(zhuǎn)換模塊15、5V穩(wěn)壓芯片16、IOV穩(wěn)壓芯片17、第一個反壓芯片18和第二個反壓芯片19，AC/DC轉(zhuǎn)換模塊15輸出端分別連接5V穩(wěn)壓芯片16、IOV穩(wěn)壓芯片17和第一個反壓芯片18，IOV穩(wěn)壓芯片17輸出端連接第二個反壓芯片19。其中，AC/DC轉(zhuǎn)換模塊15采用型號為HAS10-12的AC/DC模塊，將220V交流電轉(zhuǎn)換為+12V直流電后，再分別經(jīng)5V穩(wěn)壓芯片16、10V穩(wěn)壓芯片17和第一個反壓芯片18轉(zhuǎn)換為+5V、+10V和-12V電壓，分別為單片機MCU、放大器8和線性光耦5供電；IOV穩(wěn)壓芯片17經(jīng)第二個反壓芯片19將+IOV電壓轉(zhuǎn)換為-IOV電壓，為數(shù)模轉(zhuǎn)換器11供電。5V穩(wěn)壓芯片16采用的型號為L78M05，IOV穩(wěn)壓芯片17采用的型號為L78M10，第一個反壓芯片18采用的型號為LM2575，第二個反壓芯片19采用的型號為ICL7662。上述各實施例中，隔離變壓器I采用I: I的變壓器，由于隔離變壓器I的輸出級不與地相連，因此各種雜波減少，抗干擾性提高；此外，因為不與地相連，人接觸任意一條線都不會觸電，在一定程度上提高了使用安全性。上述各實施例中，線性光耦5采用型號為HCNR201的光耦，由于經(jīng)過信號運算處理器10處理后的信號是單極性電壓信號，如果直接輸入高壓電路2中的放大器8中，那么需要高壓電路2與低壓電路4共地，高壓電路2中即使較小的電壓波動也會對低壓電路4造成較大干擾，為了提高電路的穩(wěn)定性以及抗干擾能力，采用線性光耦5將低壓電路4與高壓電路2耦合。 上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的連接和結(jié)構(gòu)都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于它包括隔離變壓器、高壓電路、AC-DC模塊、低壓電路和線性光耦，220V交流電經(jīng)所述隔離變壓器后分別輸入所述高壓電路和AC-DC模塊，220V交流電經(jīng)所述AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入所述低壓電路中；所述低壓電路輸出端經(jīng)所述線性光耦與所述高壓電路耦合，由所述高壓電路輸出功率，實現(xiàn)對壓電陶瓷進行功率驅(qū)動； 所述高壓電路包括全橋整流電路、濾波電路和放大器，所述全橋整流電路輸出端并聯(lián)一個由兩個串聯(lián)的續(xù)流電阻構(gòu)成的支路，該支路兩端分別經(jīng)ー個過流保護電阻連接所述濾波電路輸入端，所述濾波電路輸出端連接所述放大器的正、負電源端；所述放大器的正、負電源端還分別連接ー個穩(wěn)壓ニ極管。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述全橋整流電路采用四個型號為1N4007的四個整流ニ極管構(gòu)成；所述濾波電路由兩個串聯(lián)的電容與兩個串聯(lián)的電解電容并聯(lián)構(gòu)成；兩個所述過流保護電阻均采用PTC熱敏電阻；所述放大器采用型號為PA85的運算放大器。
3.如權(quán)利要求I或2所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述低壓電路包括信號發(fā)生器和信號運算處理器，所述隔離變壓器輸出的交流電經(jīng)所述AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入所述信號發(fā)生器，由所述信號發(fā)生器輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號，該信號經(jīng)所述信號運算處理器后轉(zhuǎn)換為單極性信號，經(jīng)所述線性光耦輸入所述高壓電路中的放大器信號輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述信號發(fā)生器包括單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述單片機根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)輸出的波形信號經(jīng)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，輸出波形、頻率以及幅值可調(diào)的雙極性信號；所述單片機采用型號為ST89C51的單片機，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用型號為DAC0832的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求3所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述信號運算處理器包括電壓跟隨器和加法器，所述信號發(fā)生器輸出的雙極性信號經(jīng)所述電壓跟隨器阻抗匹配后，輸入所述加法器將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號輸出。
6.如權(quán)利要求4所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述信號運算處理器包括電壓跟隨器和加法器，所述信號發(fā)生器輸出的雙極性信號經(jīng)所述電壓跟隨器阻抗匹配后，輸入所述加法器將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號輸出。
7.如權(quán)利要求I或2或4或5或6所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述低壓電路的信號運算處理器輸出端與所述線性光耦輸入端之間，還連接有外部信號輸入接ロ，外部設(shè)備通過所述外部信號輸入接ロ向所述高壓電路中的放大器輸入單極性的波形信號；所述低壓電路中的單片機控制所述放大器的輸入信號選擇是由所述低壓電路輸入還是由所述外部信號輸入接ロ輸入。
8.如權(quán)利要求3所述的ー種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述低壓電路的信號運算處理器輸出端與所述線性光耦輸入端之間，還連接有外部信號輸入接ロ，外部設(shè)備通過所述外部信號輸入接ロ向所述高壓電路中的放大器輸入單極性的波形信號；所述低壓電路中的單片機控制所述放大器的輸入信號選擇是由所述低壓電路輸入還是由所述外部信號輸入接ロ輸入。
9.如權(quán)利要求I 8任意一項所述的一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述AC-DC模塊包括AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、5V穩(wěn)壓芯片、IOV穩(wěn)壓芯片和兩個反壓芯片，所述AC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出端分別連接所述5V穩(wěn)壓芯片、IOV穩(wěn)壓芯片和第一個所述反壓芯片，所述IOV穩(wěn)壓芯片輸出端連接第二個所述反壓芯片；所述AC/DC轉(zhuǎn)換模塊采用型號為HAS10-12的AC/DC模塊，所述5V穩(wěn)壓芯片采用的型號為L78M05，所述IOV穩(wěn)壓芯片采用的型號為L78M10，第一個所述反壓芯片采用的型號為LM2575，第二個所述反壓芯片采用的型號為ICL7662。
10.如權(quán)利要求I 9任意一項所述的一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，其特征在于所述隔離變壓器采用1:1的變壓器；所述線性光耦采用型號為HCNR201的光耦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷功率驅(qū)動裝置，它包括隔離變壓器、高壓電路、AC-DC模塊、低壓電路和線性光耦，220V交流電經(jīng)隔離變壓器后分別輸入高壓電路和AC-DC模塊，220V交流電經(jīng)AC-DC模塊轉(zhuǎn)換為直流電后，輸入低壓電路中；低壓電路輸出端經(jīng)線性光耦與高壓電路耦合，由高壓電路輸出功率，實現(xiàn)對壓電陶瓷進行功率驅(qū)動；高壓電路包括全橋整流電路、濾波電路和放大器，全橋整流電路輸出端并聯(lián)一個由兩個串聯(lián)的續(xù)流電阻構(gòu)成的支路，該支路兩端分別經(jīng)一個過流保護電阻連接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端連接放大器的正、負電源端；放大器的正、負電源端還分別連接一個穩(wěn)壓二極管。本發(fā)明具有較好的穩(wěn)定性以及抗干擾能力、線性度及可擴展性，可以在壓電陶瓷驅(qū)動中應(yīng)用。
文檔編號H02N2/06GK102684548SQ201210150559
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者王啟寧, 王龍, 袁克彬, 麥金耿 申請人:北京大學(xué)