基于PWM开关控制的能量回收式压电陶瓷驱动电源的研究

摘要

随着科学技术的发展和研究领域的不断扩展，许多领域越来越需要纳米定位系统，如微型机电系统的制造与检测、超精密机械加工、微外科手术、扫描探针显微镜系统、光纤对接，以及半导体制板的精密定位等领域。作为纳米级定位领域的一种新型材料，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。压电陶瓷驱动电源作为压电陶瓷的驱动部分，越来越受到国内外研究机构的关注。但目前应用的线性驱动电源普遍存在功耗大、效率低的问题，这种缺陷对电源本身是一种损害，同时也限制了陶瓷定位系统在微观领域的应用。 论文针对压电陶瓷驱动电源存在的上述问题，提出基于PWM脉宽调制的开关式压电陶瓷驱动电源，其输入信号由直接数字频率合成信号发生器(DDS)给出。 论文首先根据压电陶瓷的压电效应和结构特性，针对PWM驱动原理和能量回收方式进行了理论分析，然后设计了相应的驱动电路，主要包括两种：一种是基于PWM的电压反馈方式驱动电源，采用二阶有源低通滤波器对输出的驱动信号进行电压反馈；另一种是基于PWM电流和电压双闭环电路，采用电流环消除陶瓷的迟滞现象。 其次，针对电源控制的需要，设计并制作了基于AVR单片机的控制电路板，实现液晶键盘人机交互接口，监测驱动电路的供电电压，完成同上位机的通信，同时采用Altera公司的FPGA实现DDS波形发生器，提高了电源的集成度和便携性。 最后，结合压电陶瓷微动工作台，建立了实验测试系统。通过理论研究和实验验证可知，本文的研究工作比较明显的提高了压电陶瓷驱动电源的工作效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2压电陶瓷驱动电源的国内外研究现状及分析

1.2.1直流放大式压电陶瓷驱动电源

1.2.2 PWM方式压电陶瓷驱动电源

1.3论文的主要研究内容及结构安排

第2章PWM压电陶瓷电源实现的技术背景

2.1引言

2.2压电陶瓷驱动器的理论基础

2.2.1压电陶瓷概述

2.2.2压电/电致伸缩效应

2.2.3压电陶瓷驱动器的典型结构及特性

2.2.4压电陶瓷驱动器的应用类型及领域

2.3 PWM驱动原理的选择

2.3.1 PWM方式的工作原理

2.3.2能量回收的工作方式

2.4数字频率合成技术的选择

2.4.1直接频率合成技术

2.4.2锁相频率合成技术

2.4.3 DDS频率合成技术

2.5本章小结

第3章PWM驱动电源的理论分析和实现

3.1引言

3.2 PWM驱动方式和能量回收的理论分析

3.2.1驱动方式的理论分析

3.2.2能量回收的理论分析

3.3 PWM驱动方式的具体实现

3.3.1 MSK4225简介

3.3.2 PWM放大器工作原理

3.3.3两种拓扑结构及其实现

3.4供电电路及效率分析

3.5本章小结

第4章PWM驱动电源控制系统的实现

4.1引言

4.2 PWM压电陶瓷电源的控制模块

4.3基于AVR的核心控制电路设计

4.3.1上位机和单片机通信方式的选择

4.3.2人机交互接口电路的设计

4.4 DDS波形发生器电路的设计

4.4.1 DDS合成技术的原理

4.4.2 DDS的输出级电路

4.5软件部分的设计

4.6本章小结

第5章PWM压电陶瓷驱动系统的实验研究

5.1引言

5.2陶瓷驱动电源的性能比较实验

5.2.1 HPV电源的性能测试实验

5.2.2 PWM电源的性能测试实验

5.2.2两种电源的性能比较

5.3 DDS波形发生器的模块实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录