一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统，该压电驱动系统包含n个压电驱动单元，n为大于或等于1的正整数；所述压电驱动单元包括控制单元、ADC、DSP、DAC、功率放大电路、反馈信号处理电路、模拟控制电路、输入开关及输出开关，通过各组成部分的合理布局和连接，产生驱动信号驱动压电陶瓷，能够提供数字闭环控制、模拟闭环控制和开环控制三类共5种驱动方式，该压电陶瓷驱动器以尽量少的组件实现多种控制，体积尺寸小，控制方式多样，灵活性更强。

A compact digital and analog hybrid piezoelectric ceramic drive system

The invention discloses a piezoelectric ceramic drive system for a small number of mold pressure mixing, the piezoelectric drive system comprises a n piezoelectric drive unit, n is greater than or equal to 1 positive integers; the piezoelectric drive unit includes a control unit, ADC, DSP, DAC, power amplifier circuit, a feedback signal processing circuit analog control circuit, switch input and output switch, through the various components of the reasonable layout and connection, to generate a drive signal for driving the piezoelectric ceramic, can provide the digital closed-loop control simulation, closed-loop control and open loop control in three categories of 5 kinds of drive, the piezoelectric actuator assembly to as little as possible to achieve a variety of control. Small size, various control modes, more flexible.

【技术实现步骤摘要】
一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统
本专利技术涉及压电陶瓷驱动控制领域，具体涉及一种针对配备电阻应变片式传感器(SGS)的压电陶瓷驱动器。
技术介绍
随着科技的进步，越来越多的仪器和场合需要纳米级的精确位移，而压电陶瓷以体积重量小、频率响应快、无发热、无噪声、定位精度高等优点成为该领域应用十分广泛的驱动元件之一。但是由于压电陶瓷固有的迟滞和蠕变等非线性特性导致其应用受限。特别是在要求更高定位精度的场合中，普通的压电陶瓷驱动器很难满足使用需求。申请号201110421627.0的专利技术专利《压电陶瓷驱动电源》描述重点是压电陶瓷的驱动电源设计，实际驱动方法只采集电压和电流形成双反馈的电路，结构简单，功能单一。申请号201220437283.2的技术专利《模块化压电陶瓷控制系统》描述了一个普通的压电陶瓷控制系统，输入局限为模拟信号，工作方式局限为开环和简单的数字闭环，控制单元使用计算机，需要外接显示器、鼠标和键盘，体积尺寸较大，在某些特定应用场合功能受限，并且针对控制单元描述较少，因此，需要集多种驱动方式混合在一起且尺寸小的驱动器。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统，该压电陶瓷驱动系统以尽量少的组件实现多种控制，体积尺寸小，控制方式多样，灵活性更强。一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统，该压电驱动系统包含n个压电驱动单元，n为大于或等于1的正整数；所述压电驱动单元包括控制单元、ADC、DSP、DAC、功率放大电路、反馈信号处理电路、模拟控制电路、输入开关及输出开关；所述输入开关的输入端作为指令输入接口，输出端有输出端A、输出端B、输出端C及输出端D；所述输出开关有输入端L、输入端M及输入端N，输出端连接功率放大电路；输出端A连接输出开关输入端L；输出端B连接DSP的输入端；输出端C连接ADC的输入端；输出端D连接模拟控制电路的输入端；输入端M连接DAC输出端；输入端N连接模拟控制电路的输出端；所述ADC的输入端连接模拟控制电路的输出端及反馈信号处理电路的输出端，ADC的输出端连接DSP的输入端；所述DSP在控制单元的控制下运行选定的控制算法实现数字控制器功能，输出端连接DAC的输入端；所述模拟控制电路用于实现模拟控制器功能，输入端连接反馈信号处理电路的输出端；所述反馈信号处理电路接收位于压电陶瓷上的位移传感器传递的信号产生反馈信号输出；所述功率放大电路接收模拟信号进行功率放大产生驱动信号驱动压电陶瓷。进一步地，当压电驱动系统进行模拟输入开环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端A和输入端L上，模拟信号直接传递给功率放大电路。进一步地，当压电驱动系统进行数字输入开环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端B和输入端M上，DSP直接读取指令输入接口输入的数字信号，运行开环控制算法，通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。进一步地，当压电驱动系统进行数字输入数字闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端B和输入端M上，DSP读取数字信号同时接收ADC传递的反馈信号运行数字闭环控制算法，产生数字信号通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。进一步地，当压电驱动系统进行模拟输入数字闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端C和输入端M上，DSP接收ADC转换的模拟信号及反馈信号运行数字闭环控制算法，产生数字信号通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。进一步地，当压电驱动系统进行模拟输入模拟闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端D和输入端N上，模拟控制电路同时接收模拟信号和反馈信号进行模拟运算后，直接传递给功率放大电路。进一步地，所述压电驱动系统进一步包括运放加法器，输出开关进一步包括输入端P，输入端P连接运放加法器的输出端，运放加法器的输入端连接DAC的输出端和模拟控制电路的输出端，ADC的输入端连接模拟控制电路的输出端；DSP接收ADC转换的数字信号为m，ADC接收模拟控制电路输出的模拟信号为n，二者在DSP中做减法运算并输出给DAC，DAC的输出量为a×(m-n)，a为0～1，代表数字控制量加权系数，运放加法器同时接收DAC转换的数字信号a×(m-n)和模拟控制电路输出的模拟信号n并相加得到a×(m-n)+n＝a×m+(1-a)×n，当控制单元控制输出开关置于输入端P时，运放加法器将相加的结果输出实现数模混合控制。进一步地，所述压电驱动单元包含电源供电电路，电源供电电路与供电输入接口连接产生电源信号为压电驱动单元内的其他组成部分供电，同时为位于压电陶瓷上的位移传感器供电。进一步地，当四个压电陶瓷两两串联同时并联连接时，此时n＝2，两个驱动单元分别与并联分支的两个连接点连接，并利用高压供电实现对该种压电陶瓷连接形式的驱动控制。进一步地，所述反馈信号处理电路由信号去偏置电路、信号放大电路和信号调零电路三部分组成；所述信号去偏置电路采用信号运算放大器U1，正输入端连接压电陶瓷的位移传感器接收反馈正信号，信号运算放大器U1输出端作为信号去偏置电路的输出端；所述信号放大电路采用两级运算放大器串联，第一级运算放大器U2负输入端连接信号去偏置电路的输出端，第一级运算放大器U2输出端连接定值电阻，并联电容一起作为反馈与第一级运算放大器U2负输入端连接；第二级运算放大器U3负输入端连接第一级运算放大器U2输出端，正输入端接地，输出端连接滑动变阻器R2，并联电容一起作为反馈与第二级运算放大器U3负输入端连接，第二级运算放大器U3输出端作为反馈信号处理电路的输出端输出反馈信号；所述信号调零电路通过电压输出芯片产生恒定电压，一方面通过滑动变阻器R1连接到信号运算放大器U1的负输入端，另一方面通过滑动变阻器R3连接到运算放大器U2的正输入端，通过调节滑动变阻器R1和滑动变阻器R3，使得提供给信号运算放大器U1负输入端和运算放大器U2正输入端的基准电压调至0V。进一步地，所述控制单元包括控制界面、单片机及Flash，单片机分别连接控制界面、Flash及DSP，同时单片机分别与输入开关和输出开关连接。有益效果：1、本专利技术通过合理的模块划分，实现多种控制方式，可以提供数字闭环控制、模拟闭环控制和开环控制三类共5种驱动方式，体积小，性能高，灵活性更强。2、本专利技术通过运放加法器将数字信号和模拟信号相加，能够实现数模混合的高级驱动控制；并且可以通过控制数字控制量加权系数的大小，根据需要自由调节数字信号和模拟信号的权值。3、本专利技术采用印制电路板焊接集成芯片的设计方式，并且压电驱动单元内的其他组成部分与压电陶瓷上的位移传感器共享一套供电系统，体积尺寸小。4、本专利技术可以驱动串联连接的压电陶瓷，或者驱动多个压电陶瓷，驱动对象多样化。附图说明图1为本专利技术原理结构框图；图2为本专利技术逻辑加法电路的原理结构框图；图3为本专利技术单片机程序设计流程图；图4为本专利技术DSP程序设计流程图；图5为具体实施方式三所述的连接多个压电陶瓷的示意图；图6为具体实施方式四所述的连接双轴压电微位移台示意图；图7为具体实施方式一所述的反馈信号处理电路的示意图。其中，1-电源供电电路，2-功率放大电路，3-反馈信号处理电路，3-1-信号去偏置电路，3-2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，该压电驱动系统包含n个压电驱动单元，n为大于或等于1的正整数；所述压电驱动单元包括控制单元、ADC、DSP、DAC、功率放大电路、反馈信号处理电路、模拟控制电路、输入开关及输出开关；所述输入开关的输入端作为指令输入接口，输出端有输出端A、输出端B、输出端C及输出端D；所述输出开关有输入端L、输入端M及输入端N，输出端连接功率放大电路；输出端A连接输出开关输入端L；输出端B连接DSP的输入端；输出端C连接ADC的输入端；输出端D连接模拟控制电路的输入端；输入端M连接DAC输出端；输入端N连接模拟控制电路的输出端；所述ADC的输入端连接模拟控制电路的输出端及反馈信号处理电路的输出端，ADC的输出端连接DSP的输入端；所述DSP在控制单元的控制下运行选定的控制算法实现数字控制器功能，输出端连接DAC的输入端；所述模拟控制电路用于实现模拟控制器功能，输入端连接反馈信号处理电路的输出端；所述反馈信号处理电路接收位于压电陶瓷上的位移传感器传递的信号产生反馈信号输出；所述功率放大电路接收模拟信号进行功率放大产生驱动信号驱动压电陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，该压电驱动系统包含n个压电驱动单元，n为大于或等于1的正整数；所述压电驱动单元包括控制单元、ADC、DSP、DAC、功率放大电路、反馈信号处理电路、模拟控制电路、输入开关及输出开关；所述输入开关的输入端作为指令输入接口，输出端有输出端A、输出端B、输出端C及输出端D；所述输出开关有输入端L、输入端M及输入端N，输出端连接功率放大电路；输出端A连接输出开关输入端L；输出端B连接DSP的输入端；输出端C连接ADC的输入端；输出端D连接模拟控制电路的输入端；输入端M连接DAC输出端；输入端N连接模拟控制电路的输出端；所述ADC的输入端连接模拟控制电路的输出端及反馈信号处理电路的输出端，ADC的输出端连接DSP的输入端；所述DSP在控制单元的控制下运行选定的控制算法实现数字控制器功能，输出端连接DAC的输入端；所述模拟控制电路用于实现模拟控制器功能，输入端连接反馈信号处理电路的输出端；所述反馈信号处理电路接收位于压电陶瓷上的位移传感器传递的信号产生反馈信号输出；所述功率放大电路接收模拟信号进行功率放大产生驱动信号驱动压电陶瓷。2.如权利要求1所述的小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，当压电驱动系统进行模拟输入开环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端A和输入端L上，模拟信号直接传递给功率放大电路。3.如权利要求1所述的小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，当压电驱动系统进行数字输入开环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端B和输入端M上，DSP直接读取指令输入接口输入的数字信号，运行开环控制算法，通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。4.如权利要求1所述的小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，当压电驱动系统进行数字输入数字闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端B和输入端M上，DSP读取数字信号同时接收ADC传递的反馈信号运行数字闭环控制算法，产生数字信号通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。5.如权利要求1所述的小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，当压电驱动系统进行模拟输入数字闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端C和输入端M上，DSP接收ADC转换的模拟信号及反馈信号运行数字闭环控制算法，产生数字信号通过DAC转换成模拟信号传递给功率放大电路。6.如权利要求1所述的小型数模混合压电陶瓷驱动系统，其特征在于，当压电驱动系统进行模拟输入模拟闭环工作时，控制单元分别自动控制输入开关和输出开关置于输出端D和输入端N上，模拟控制电路同时接收模拟信号和反馈信号进行模拟运算后，直接传递给功率放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中石，田大鹏，王福超，王昱棠，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22