基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源

1.基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，包括控制面板、单片机、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷和微位移反馈装置，控制面板的输出端连接单片机，单片机的输出端通过压电陶瓷驱动器与压电陶瓷建立连接，微位移反馈装置将压电陶瓷与单片机建立连接，其特征在于：所述微位移反馈装置包括PSD传感器、信号调理电路、光源、透镜和A/D转换模块，所述光源置于压电陶瓷上，光源的输出光线通过透镜射入PSD传感器，PSD传感器的输出端通过依次串联的信号调理电路和A/D转换模块与单片机建立连接。
2.根据权利要求1所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，其特征在于：
所述信号调理电路包括第一调理支路、第二调理支路和差分放大器，第一调理支路和第二调理支路结构相同，第一调理支路包括依次串联连接的放大器、背光和暗电流消除电路、对数放大电路和缓冲放大电路，所述放大器的输入端为第一调理电路的输入端，缓冲放大电路的输出端为第一调理支路的输出端，第一调理支路输入端和第二调理支路的输入端连接PSD传感器的输出端，第一调理支路的输出端和第二调理支路的输出端均与差分放大器的输入端建立连接，差分放大器的输出端为信号调理电路的输出端。
3.根据权利要求2所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，其特征在于：
所述单片机与压电陶瓷驱动器之间设有依次串联连接的D/A转换模块、功率放大模块和电压跟随模块。
4.根据权利要求3所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，其特征在于：
所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源包括快速放电电路，所述电压跟随模块的输出端与快速放电电路的输出端建立连接，快速放电电路的输出端连接压电陶瓷驱动器。

基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及压电陶瓷驱动电源，具体涉及基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，属于压电陶瓷微位移技术领域。\n背景技术\n[0002] 压电陶瓷是一种位移分辨率高、频率高、承载力打、控制简单、没有发热、不易受外界电磁场干扰等优点成为理想的短距离微位移执行器件。压电陶瓷控制系统尤其是电源控制器的研究一直被各国关注。压电陶瓷执行器驱动电源主要有电压控制型和电流/电荷控制型两种，从实现方式上主要有线性和开关式两种。电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源有以下几种方式：\n[0003] 1.直接采用高压运放的线性直流放大式电源。直接采用高压运算放大器的方式具有静态性能好、集成度高、结构简单等优点，但由于高压运算放大器的输出电流一般都小于\n200mA，因此压电陶瓷执行器的动态性能受到限制。\n[0004] 2.电压跟随式电源。此种压电陶瓷执行器驱动电源将电压放大和功率放大分离，驱动级可以提供较高的驱动电流；由于没有直接从输出的电压信号取得采样，前后级之间会产生跟随误差，精度不可能很高；并且在静态时驱动电源仍有较大的功率输出，效率不高，发热严重。\n[0005] 3.误差放大式电源。误差放大式驱动电源直接从输出电压取得反馈，可以对电压进行实时监控，同时对电路中的电流进行监控，以保证电路工作在正常的范围之内。误差放大式电源是电压控制型压电陶瓷执行器驱动电源的主要形式。\n[0006] 4.开关式电源。开关式驱动电源基于直流变化器原理，由于输出级(通常是 MOSFET)只工作在开、关两种状态，因而提高了效率，发热小。但是，目前基于这种原理研制的驱动电源输出纹波电压较大，频率特性差，电路实现也较复杂。因此，采用开关式电源快速、准确驱动强容性负载仍需要更深入的研究。\n[0007] 电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源源于 Comstock和 Newcomb 与Flinn的研究工作，由于能降低叠堆型压电陶瓷执行器的滞后现象，实现线性驱动，得到深入研究。但是电流/电荷控制型压电陶瓷执行器驱动电源存在零点漂移，低频特性差，限制了其应用。\n[0008] 哈尔滨工业大学研制的 HVP 系列压电陶瓷驱动电源，其输出电压-10~150V，输出电压分辨率5mV，正弦波频率响应2.2KHz，输出电压非线性<0.1%F.S，输入功率<100W。\n[0009] PI (Physic Instrument)公司生产的 E-480 型动态压电陶瓷驱动电源，具有 \n2000W 峰值输出功率，输出电压范围为 0～1000V，可以配置成双极性输出。\n[0010] PiezoMechanic 公司生产的 RCV 1000/7 型压电陶瓷驱动电源，输出电压范围为 \n0～1000V，增益为 200，峰值输出电流达 7A，平均输出电流可达 2.2A，纹波电压小于 2V。\n[0011] 可以看出，国内对压电陶瓷静态电源的研制取得了一定的进展，国内的压电陶瓷驱动功率放大器，如哈尔滨工业大学的 HVP 系列的压电陶瓷驱动电源，其分辨率、纹波都达已到毫伏级。但是，动态压电陶瓷驱动电源的研制与国外仍有较大的差距。国内的压电陶瓷驱动电源的输出功率基本上没有超过 100W，电流不超过 500mA，而德国 PI 公司开发的 E-480 型压电陶瓷执行器驱动电源，峰值输出功率已达2000W，平均输出功率也达630W，PiezoMechanic公司开发RCV 1000/7型压电陶瓷执行器驱动电源，峰值电流达 10A，平均电流达 2.2A。\n[0012] 国内大功率的压电陶瓷驱动电源只能依赖于进口，因此，在国内研制适合压电陶瓷执行器动态应用的驱动电源是一项很有应用价值的研究课题。\n发明内容\n[0013] 本实用新型的目的是为了解决现有的微位移驱动电源的精度差，可靠性不足的问题。\n[0014] 本实用新型的技术方案是：基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，包括控制面板、单片机、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷和微位移反馈装置，控制面板的输出端连接单片机，单片机的输出端通过压电陶瓷驱动器与压电陶瓷建立连接，微位移反馈装置将压电陶瓷的输出端与单片机建立连接，其特征在于：所述微位移反馈装置包括PSD传感器、信号调理电路、光源、透镜和A/D转换模块，所述光源置于压电陶瓷上，光源的输出端通过透镜射入PSD传感器，PSD传感器的输出端通过依次串联的信号调理电路和A/D转换模块与单片机建立连接。\n[0015] 所述信号调理电路包括两条调理支路和差分放大电路，每条调制支路均包括依次串联连接的放大器、背光和暗电流消除电路、对数放大和缓冲放大电路，两条调理支路的缓冲放大器的输出端均与差分放大器建立连接，差分放大器的输出端为信号调理电路的输出端，信号调理电路使PSD与压电陶瓷精度同步，利用光学杠杆原理将压电陶瓷微位移放大，使PSD能分辨压电陶瓷位移变化，基于光学系统的PSD传感器检测装置是一种非接触式精密测量装置，利用信号调理电路能够弥补其动态响应，精度等方面不足，所述对数放大器、缓冲放大器及差分放大器对两路信号的电流信号对数进行差分处理，一次消除误差，得出较为精确的模拟量输出。\n[0016] 所述单片机与压电陶瓷驱动器之间设有依次串联连接的D/A转换模块、功率放大模块和电压跟随模块，通过功率放大模块和电压跟随模块的设计可以将D/A转换模块输出的小功率低电压转化为驱动压电陶瓷的大功率电压。\n[0017] 所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源包括快速放电电路，所述电压跟随模块的输出端与快速放电电路的输出端建立连接，快速放电电路的输出端连接压电陶瓷驱动器，当压电陶瓷移动一定位移以后，想要往回缩的话，就需要放一定的电量，快速放电电路提供了一种放电模式，通过快速放电电路可以使压电陶瓷缩到任一长度。\n[0018] 本实用新型与现有技术相比具有以下效果：本设计的创新点在于利用PSD检测压电陶瓷的微位移，与压电陶瓷电源控制器形成一种基于PID算法的能够自行补偿与调节的微位移装置，具有对压电陶瓷大的动态响应能力，驱动精度高、驱动能力强、稳定性好、响应速度快、频带宽及带负载能力强的优点，对压电陶瓷驱动提供了一种具有良好动态响应的精密控制方案，提高机械加工、航空航天等方面的精度。\n附图说明\n[0019] 图1是本实用新型的整体结构框图；\n[0020] 图2是图1信号调理电路框图。\n具体实施方式\n[0021] 结合附图说明本实用新型的具体实施方式，本实施方式的基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源，包括控制面板、单片机、压电陶瓷驱动器、压电陶瓷和微位移反馈装置，控制面板的输出端连接单片机，单片机的输出端通过压电陶瓷驱动器与压电陶瓷建立连接，微位移反馈装置将压电陶瓷与单片机建立连接，所述微位移反馈装置包括PSD传感器、信号调理电路、光源、透镜和A/D转换模块，所述光源置于压电陶瓷上，光源的输出光线通过透镜射入PSD传感器，PSD传感器的输出端通过依次串联的信号调理电路和A/D转换模块与单片机建立连接。\n[0022] 所述信号调理电路包括第一调理支路、第二调理支路和差分放大器，第一调理支路和第二调理支路结构相同，第一调理支路包括依次串联连接的放大器、背光和暗电流消除电路、对数放大电路和缓冲放大电路，所述放大器的输入端为第一调理支路的输入端，缓冲放大电路的输出端为第一调理支路的输出端，第一调理支路输入端和第二调理支路的输入端连接PSD传感器的输出端，第一调理支路的输出端和第二调理支路的输出端均与差分放大器的输入端建立连接，差分放大器的输出端为信号调理电路的输出端。\n[0023] 所述单片机与压电陶瓷驱动器之间设有依次串联连接的D/A转换模块、功率放大模块和电压跟随模块。\n[0024] 所述基于PSD闭环控制的压电陶瓷微位移驱动电源包括快速放电电路，所述电压跟随模块的输出端与快速放电电路的输出端建立连接，快速放电电路的输出端连接压电陶瓷驱动器。\n[0025] 本实施方式采用的单片机型号为MSP430。\n[0026] 本实施方式采用的压电陶瓷型号为WTYD0808030。\n[0027] 所示通过MSP430单片机用程序对数字量的算法控制进而实现PID调解器和蠕变模型前馈控制，在通过算法得到电压对应的数字量后，将其送入D/A转换模块将对应的数字量转化为模拟量接入驱动放大器中，通过电压的放大得到对压电陶瓷电压的控制，此时将压电陶瓷产生的微位移通过PSD传感器，将物理位移量通过PSD信号调理电路转化对应模拟量电压再次接入MSP430单片机实现闭环控制。\n[0028] 单片机MSP430通过接受用户由控制面板输入的位移值，并通过D/A数字量到模拟量转化模块转化为相应的电压值，再通过功率放大模块和电压跟随模块输出驱动压电陶瓷的对应的电压值。\n[0029] 通过上述驱动电源基本模块的设计使得压电陶瓷可以产生对应的微位移，但其动态性能，可靠性，精度等方面依旧存在不足，因此需要带有可以检测纳米级精度的传感器的反馈系统。\n[0030] 将光源固定于压电陶瓷之上，由压电陶瓷驱动器带动光源移动，由PSD接收后再转化为等价的电信号送至控制系统，应用PSD进行举例的测量是利用了光学三角测距的原理，光源发出的光经透镜聚焦后，聚焦到一维PSD传感器上，形成一个光点，PSD传感器将光源位移信号转换为电流信号，通过放大器将信号放大，背景光和暗电流消除电路采用H2476采样--保持法，可以提高背景光干扰的能力，通过对数放大器、缓冲放大器和差分放大式最终得出得出较为精确的模拟量输出。