基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器

摘要

基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器，涉及压电陶瓷功率驱动器，目的是为解决现有电荷控制器控制精度不高的问题。本发明中，电阻输入电阻R1和并联电阻Rp形成直流通路，一方面为高压运放A1的失调电流提供泄放回路，另一方面稳定电路的低频电压放大增益，保证在全频带范围内的电压增益相同。输入电容C1和压电陶瓷Cp串联，因而两者的电荷量始终相等。高压运放A1的输出电压经固定增益K1衰减后与输入信号Vin求差。可调增益K2用来调整求差后的输出信号非线性的强弱，本发明通过调节可调增益K2的增益值来调节加载到压电陶瓷Cp两端的电压，使压电陶瓷位移精度提高4倍，适合于工业化应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷功率驱动器，具体涉及一种基于非线性电荷控制的压电陶瓷功率驱动电路。

背景技术

压电陶瓷是精密机械系统中常见的制动元件。具有体积小，刚度大，输出位移分辨率高，响应速度快等一系列优点，因而被广泛应用于扫描探针显微镜，微操作，纳米定位，精密伺服阀等众多领域。然而，压电材料固有的迟滞非线性在很大程度上限制了高运动精度的实现。为了解决这一问题，反馈控制和前馈控制是当前主要采用的技术方案，但都存在一定的问题。反馈控制系统的性能很大程度上依赖于所采用的传感器，而高精度的微位移传感器通常价格很高，甚至依赖于进口。前馈控制方案尽管不需要使用传感器，但需要建立精确的数学模型来描述迟滞非线性这一复杂的行为，所以通常导致系统构成复杂，很难在工业系统中发挥预期的作用。与上述方法不同，基于线性电荷控制的驱动方法可以在不使用传感器也不依赖数学模型的条件下大幅度改善迟滞效应，将输出位移的非线性减小80％-90％。但很多实际应用对输出位移的线性度要求很高，上述结果仍不能满足实际需求。

发明内容

本发明是为解决现有电荷控制器控制精度不高的问题，提出两种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器。

第一种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动包括输入电阻R₁、输入电容C₁、并联电阻R_p、压电陶瓷C_p、高压运放A₁、固定增益K₁、可调增益K₂、第一比较器M₁、第二比较器M₂以及反向器N；

所述反向器N的输入端与第一比较器M₁的反馈信号输入端连接，连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端，反向器N的输出端连接第二比较器M₂的参考信号输入端，第一比较器M₁的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接第二比较器M₂的反馈信号输入端；输入电阻R₁与输入电容C₁并联，构成第一并联支路；接压电陶瓷C_p与并联电阻R_p并联，构成第二并联支路；第二比较器M₂的输出端与第一并联支路的一端，第一并联支路的另一端与第二并联支路的一端连接，且连接点作为高压运放A₁的反相输入端，高压运放A₁的同相输入端接地，高压运放A₁的输出端同时连接第二并联支路的另一端和固定增益K₁的输入端，固定增益K₁的输出端连接第一比较器M₁的参考信号输入端。

第二种基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动包括输入电阻R₁、输入电容C₁、并联电阻R_p、高压运放A₁、高压运放A₂、固定增益K₁、可调增益K₂、第一比较器M₁以及第二比较器M₂；

第一比较器M₁的参考信号输入端连接第二比较器M₂的参考信号输入端，且连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端，第二比较器M₂的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接第一比较器M₁的反馈信号输入端，第一比较器M₁的输出端连接高压运放A₁的同相输入端；输入电阻R₁与输入电容C₁并联，构成第一并联支路；压电陶瓷C_p与并联电阻R_p并联，构成第二并联支路；高压运放A₁的输出端同时连接第一并联支路的一端和高压运放A₂的同相输入端，第一并联支路的另一端同时连接第二并联支路的一端、高压运放A₂的反向输入端和可调增益K₁的输入端，可调增益K₁的输出端连接第二比较器M₂的反馈信号输入端，第二并联支路的另一端接地，高压运放A₂的输出端连接高压运放A₁的反相输入端。

现有线性电荷驱动器残存的误差来源于驱动信号对迟滞效应的过补偿。因而可以通过调整输出电压的非线性度进一步提高电荷驱动方式的定位精度。为了达到这一目的，需要首先对输出电压进行衰减直至与输入电压幅值相同，然后将两者的差值通过一个可调增益返回到输入端，与原输入信号共同构成新的输入信号。通过改变可调增益的数值，输出补偿电压的非线性度可以被增大或者减小。因此，过补偿效应可以被有效地降低，使得定位精度得到大幅度提升。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明提出的方案通过控制加载到压电陶瓷两端的电压的非线性度来提高压电陶瓷输出位移的线性度，与已有电荷驱动器相比，定位精度提升了4倍。压电陶瓷输出位移的非线性减小了97％。

二、本发明提出的方案与其他控制方案相比，在不使用传感器和复杂数学模型的条件下，能够提供类似的定位精度，因此很大程度上降低了系统的成本和复杂性，适合于工业化应用。

附图说明

图1是实施方式一所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图；

图2是实施方式二所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图；

图3是实施方式三所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器包括输入电阻R₁、输入电容C₁、并联电阻R_p、压电陶瓷C_p、高压运放A₁、固定增益K₁、可调增益K₂、第一比较器M₁、第二比较器M₂以及反向器N；

所述反向器N的输入端与第一比较器M₁的反馈信号输入端连接，连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端，反向器N的输出端连接第二比较器M₂的参考信号输入端，第一比较器M₁的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接第二比较器M₂的反馈信号输入端；输入电阻R₁与输入电容C₁并联，构成第一并联支路；接压电陶瓷C_p与并联电阻R_p并联，构成第二并联支路；第二比较器M₂的输出端与第一并联支路的一端，第一并联支路的另一端与第二并联支路的一端连接，且连接点作为高压运放A₁的反相输入端，高压运放A₁的同相输入端接地，高压运放A₁的输出端同时连接第二并联支路的另一端和固定增益K₁的输入端，固定增益K₁的输出端连接第一比较器M₁的参考信号输入端。

浮地式结构将压电陶瓷接于高压运放的输入端和输出端之间，驱动器一端处于“虚地”状态。结合图1说明本实施方式，本实施方式中，电阻输入电阻R₁和并联电阻R_p形成直流通路，一方面为高压运放A₁的失调电流提供泄放回路，另一方面稳定电路的低频电压放大增益，保证在全频带范围内的电压增益相同。但是由于电阻的引入，电路仅在高于转折频率的范围内呈现出电荷控制作用，在低于此频率的范围内呈现出电压控制。转折频率其中表示输入电阻R₁的阻值，表示输入电容C₁的电容值，表示并联电阻R_p的阻值，表示压电陶瓷C_p的电容值，以及的值取决于压电陶瓷C_p的参数。输入电容C₁和压电陶瓷C_p串联，因而两者的电荷量始终相等。高压运放A₁的输出电压经固定增益K₁衰减后与输入信号Vin求差。可调增益K₂用来调整求差后的输出信号非线性的强弱，当可调增益K₂的增益值小于0时，输出非线性增强；当可调增益K₂的增益值大于0时，输出非线性减弱；当可调增益K₂的增益值等于0时，驱动电路与已有的线性电荷驱动电路等效，因此，上述驱动器可以通过调节可调增益K₂的增益值来调节加载到压电陶瓷C_p两端的电压。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的原理与实施方式一相同，驱动器电路如图2所示。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器，包括输入电阻R₁、输入电容C₁、并联电阻R_p、高压运放A₁、高压运放A₂、固定增益K₁、可调增益K₂、第一比较器M₁以及第二比较器M₂；

第一比较器M₁的参考信号输入端连接第二比较器M₂的参考信号输入端，且连接点作为所述基于非线性电荷控制的高精度压电陶瓷功率驱动器的电源正极接入端，第二比较器M₂的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接第一比较器M₁的反馈信号输入端，第一比较器M₁的输出端连接高压运放A₁的同相输入端；输入电阻R₁与输入电容C₁并联，构成第一并联支路；压电陶瓷C_p与并联电阻R_p并联，构成第二并联支路；高压运放A₁的输出端同时连接第一并联支路的一端和高压运放A₂的同相输入端，第一并联支路的另一端同时连接第二并联支路的一端、高压运放A₂的反向输入端和可调增益K₁的输入端，可调增益K₁的输出端连接第二比较器M₂的反馈信号输入端，第二并联支路的另一端接地，高压运放A₂的输出端连接高压运放A₁的反相输入端。

接地式结构将压电陶瓷C_p接于高压运放A₁的输出端与参考地之间，所述驱动器的一端处于接地状态，这种连接方式在实际应用中更为普遍。高压运放A₁和高压运放A₂均为差分运算放大器。输入电阻R₁和并联电阻R_p的作用与实施方式一中的作用相同。输入电容C₁与压电陶瓷C_p串联，因而两者的电荷量在电荷驱动状态下始终相等。高压运放A₂用来保证输入电容C₁两端的电压与高压运放A₂同相输入端的输入电压相同。固定增益K₁和可调增益K₂的作用与实施方式一相同。