多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路及其驅(qū)動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動領(lǐng)域，具體而言，涉及一種多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路及其驅(qū)動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，工業(yè)、宇航、生物等領(lǐng)域?qū)Ω呔榷ㄎ缓万?qū)動技術(shù)的需求越來越明顯，例如掃描探針顯微鏡、納米定位系統(tǒng)和振動控制系統(tǒng)等，特別對納米定位技術(shù)需求越來越高。納米定位技術(shù)的方案之一是采用壓電陶瓷致動器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0003]基于多電平結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路也漸漸運(yùn)用于壓電陶瓷致動器的高壓驅(qū)動，目前絕大多數(shù)多電平驅(qū)動電路都是等壓的多電平單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種適合于大功率的多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路及其驅(qū)動控制方法。
[0005]本發(fā)明在保證多電平驅(qū)動電路的輸出電壓范圍的同時，在輸出低頻電壓或者靜態(tài)輸出時，可以最大程度的減少多電平單元開關(guān)管的開關(guān)切換次數(shù)，以減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，且使其調(diào)制方法變得更簡單直接，提出了一種逐次逼近型多電平高壓驅(qū)動策略。該驅(qū)動策略采用不等壓多電平結(jié)構(gòu)，和逐次逼近的調(diào)制方法，輸出的兩路電壓給推挽式放大電路供電。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種逐次逼近型多電平高壓驅(qū)動策略，包括不等壓多電平拓?fù)浜椭鸫伪平万?qū)動策略。不等壓多電平的拓?fù)涞妮敵鼋拥酵仆焓椒糯竽K，為其供電；推挽式放大電路在驅(qū)動信號的驅(qū)動下，產(chǎn)生的電壓直接驅(qū)動壓電陶瓷執(zhí)行器工作；按照逐次逼近型驅(qū)動策控制各個多電平電路模塊的開關(guān)管工作，可以得到期望的兩路輸出電壓。
[0008]不等壓多電平拓?fù)浒潭妷褐绷髂K和η級多電平級聯(lián)模塊，固定電壓直流模塊位于不等壓多電平拓?fù)涞妮敵龆耍遗cη級多電平級聯(lián)模塊通過串聯(lián)方式連接。固定電壓直流模塊的電壓為Ud，其正極和負(fù)極分別為不等壓多電平拓?fù)涞母唠妷狠敵鯱H和低電壓輸出UL，此兩路輸出電壓連接到推挽式放大模塊的高電壓側(cè)和低電壓側(cè)，為其供電，這樣可以大大減小推挽式放大模塊的功率損耗，提高其效率。η級多電平級聯(lián)模塊的η個多電平單元的母線電壓分別為Ε、2Ε、4Ε…2η-1Ε，且它們依次串聯(lián)而成，則η級多電平級聯(lián)模塊的輸出電壓范圍是0?(2η-1)Ε。通過調(diào)整Ε的大小，可調(diào)整多電平拓?fù)漭敵鲭妷旱姆直媛?，選擇多電平級數(shù)η的大小，可以調(diào)整多電平拓?fù)漭敵鲭妷旱姆秶?。這樣的不等壓多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只在輸出電壓需要改變時，開關(guān)管才進(jìn)行開關(guān)操作，當(dāng)輸出低頻電壓時，多電平單元開關(guān)管工作在低頻；當(dāng)靜態(tài)輸出時，開關(guān)管不需要進(jìn)行開關(guān)操作，這樣可以減小開關(guān)管的開關(guān)損耗。
[0009]逐次逼近型驅(qū)動策略，是將期望輸出電壓Uexp轉(zhuǎn)換成η位二進(jìn)制數(shù)，η位二進(jìn)制數(shù)的第i位對應(yīng)第i個多電平單元的開關(guān)管的工作狀態(tài)，0表示上管關(guān)斷且下管開通，1表示上管開通且下管關(guān)斷。第一步，計算Uexp/E的值，得到整數(shù)Sint，Sint代表η級多電平級聯(lián)模塊共要輸出Sint*E來匹配期望輸出電壓Uexp。第二步，對Sint進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到η位二進(jìn)制數(shù)Sbit。按照Sbit的第0?n_l位分別對應(yīng)控制第0?n_l級多電平電路模塊的開關(guān)管工作，可以得到期望的輸出電壓，這樣調(diào)制方法變得更簡單直接。
【附圖說明】
[0010]構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0011]圖1為本發(fā)明的不等壓多電平高壓驅(qū)動電路示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明的逐次逼近型驅(qū)動策略的框圖；
[0013]圖3為本發(fā)明的輸出電壓示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明公開的一種逐次逼近型不等壓多電平高壓驅(qū)動策略的不等壓多電平高壓驅(qū)動電路，所述不等壓多電平高壓驅(qū)動電路包含固定電壓直流模塊、η級多電平級聯(lián)模塊和推挽式放大模塊。其中，η級多電平級聯(lián)模塊與固定電壓直流模塊通過串聯(lián)方式連接，固定電壓直流模塊的兩路電壓輸出連接到推挽式放大模塊，推挽式放大模塊作為不等壓多電平高壓驅(qū)動電路的輸出端。
[0016]所述固定電壓直流模塊的電壓為Ud，其正極和負(fù)極分別為不等壓多電平拓?fù)涞母唠妷狠敵鯱H和低電壓輸出UL，此兩路輸出電壓連接到推挽式放大模塊的高電壓側(cè)和低電壓側(cè)，為其供電。
[0017]所述推挽式放大模塊由驅(qū)動信號驅(qū)動，產(chǎn)生輸出電壓U0，以直接驅(qū)動壓電陶瓷執(zhí)行器。U0的電壓跟隨驅(qū)動信號的變化而變化，但放大了輸出功率。通過調(diào)的電壓可以調(diào)節(jié)推挽式放大模塊的輸出電壓U0。
[0018]所述η級多電平級聯(lián)模塊的η個多電平單元的母線電壓分別為Ε、2Ε、4Ε…2η_1Ε，且它們依次串聯(lián)而成，則η級多電平級聯(lián)模塊的輸出電壓范圍是0?(2η-1)Ε。
[0019]輸出電壓可變化的最小電壓是Ε，通過調(diào)整Ε的大小，即可調(diào)整多電平拓?fù)漭敵鲭妷旱姆直媛?，選擇多電平級數(shù)η的大小，可以調(diào)整多電平拓?fù)漭敵鲭妷旱姆秶Ｒ赃xΕ =5V，n = 8為例，輸出電壓的范圍為0V?1275V，分辨率為5V。
[0020]如圖2所示，本發(fā)明公開的逐次逼近型驅(qū)動策略，為了將期望輸出電壓Uexp轉(zhuǎn)換成控制各個多電平單元開關(guān)管的控制信號，所述逐次逼近型驅(qū)動策略按如下步驟進(jìn)行。
[0021]第一步，計算Uexp/E的值，得到整數(shù)Sint，Sint代表η級多電平級聯(lián)模塊共要輸出Sint*E來匹配期望輸出電壓Uexp。
[0022]第二步，對Sint進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到η位二進(jìn)制數(shù)Sbit。
[0023]第三步，按照Sbit的第0?η-1位分別產(chǎn)生0?n_l路控制信號g，且g[i]=Sbit [i]。
[0024]第四步，控制信號g[i]控制多電平單元i的開關(guān)管工作，當(dāng)g[i] = 1時，對應(yīng)多電平單元的上管開通且下管關(guān)斷，相反，當(dāng)g[i] = 0時，對應(yīng)多電平單元的上管關(guān)斷且下管開通。如此可以得到期望的輸出電壓。
[0025]如圖3所不為不等壓多電平拓?fù)漭敵鲭妷翰灰鈭D，所述的尚電壓輸出UH和低電壓輸出UL均以最小變化電壓E逐漸增大和減小，且時刻保持有大小為Ud的電壓差。由于不等壓多電平拓?fù)涞母唠妷狠敵鯱H和低電壓輸出UL，為推挽式放大模塊的高電壓側(cè)和低電壓側(cè)供電，要保證任何時候UH與UL在大小上沒有重合，而當(dāng)多個開關(guān)管一起進(jìn)行開關(guān)操作的時候，無法保證開關(guān)管絕對同時開通或者關(guān)斷，則要求Ud>E。為使推挽式放大模塊在控制輸出時有足夠的余量電壓，當(dāng)選取E = 5V、余量電壓為5V時，可選擇Ud = 10Vo
[0026]從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果:
[0027]1、采用不等壓多電平級聯(lián)的方式，既能用低壓器件輸出高范圍的電壓，開關(guān)管的工作頻率可以隨輸出電壓的頻率降低而降低，減少開關(guān)管的開關(guān)損耗。
[0028]2、用帶有固定電壓差的兩路可調(diào)電壓給推挽式放大模塊供電，可以大大減小推挽式放大模塊的功率損耗，提高其效率。
[0029]3、采用逐次逼近的調(diào)制方法，使其調(diào)制變得更簡單直接。
[0030]4、靜態(tài)輸出時，因?yàn)闆]有開關(guān)管的開關(guān)操作，所以輸出電壓沒有高頻諧波，不需要濾波。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路，其特征在于，包括， η級多電平級聯(lián)模塊，固定電壓直流模塊和推挽式放大模塊； 所述η級多電平級聯(lián)模塊包括依次串聯(lián)設(shè)置，且母線電壓分別為E、2E、4E…2n ?的η個多電平單元，Ε為分辨電壓； 所述固定電壓直流模塊，串聯(lián)連接在所述η級多電平級聯(lián)模塊的輸出端； 所述推挽式放大模塊的高電壓側(cè)連接至固定電壓直流模塊高電壓輸出端UH，其低電壓側(cè)連接至固定電壓直流模塊的低電壓輸出端UL。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路，其特征在于， 每個所述多電平單元包括與高壓側(cè)連接的第一開關(guān)管和與低壓側(cè)連接的第二開關(guān)管，且所述第一開關(guān)管和所述第二開關(guān)管分別與上一級所述多電平單元的低壓側(cè)連接； 第一級所述多電平單元的所述第一開關(guān)管和所述第二開關(guān)管分別與所述固定電壓直流模塊的低壓側(cè)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路，其特征在于， 所述固定電壓直流模塊的電壓為Ud，其中，Ud > Eo4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路，其特征在于，Ud= 2E。5.一種多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路的驅(qū)動控制方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟S1，計算Uexp/E并取整得到整數(shù)Sint，其中，Uexp為期望輸出電壓，E為分辨電壓； 步驟S2，將Sint進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到η位二進(jìn)制數(shù)Sbit ； 步驟S3，按照Sbit的第0?n-1位對應(yīng)產(chǎn)生0?n-1路控制信號g，且g[i] = Sbit[i]；步驟S4，通過控制信號g[i]控制第i級所述多電平單元的開關(guān)管工作，其中，當(dāng)g[i]=1時，第i級所述多電平單元的第一開關(guān)管導(dǎo)通且第二開關(guān)管關(guān)斷；當(dāng)g[i] = 0時，第i級所述多電平單元的第一開關(guān)管關(guān)斷且第二開關(guān)管導(dǎo)通。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種適合于大功率多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路及其驅(qū)動控制方法。根據(jù)本發(fā)明的多電平壓電陶瓷驅(qū)動電路，包括：n級多電平級聯(lián)模塊，n級多電平級聯(lián)模塊包括依次串聯(lián)設(shè)置，且母線電壓分別為E、2E、4E…2n-1E的n個多電平單元，E為分辨電壓；固定電壓直流模塊，串聯(lián)連接在n級多電平級聯(lián)模塊的輸出端；推挽式放大模塊，其高電壓側(cè)連接至固定電壓直流模塊高電壓輸出端UH，其低電壓側(cè)連接至固定電壓直流模塊的低電壓輸出端UL。本發(fā)明通過采用不等壓多電平級聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)用低壓器件輸出高范圍的電壓，開關(guān)管的工作頻率可以隨輸出電壓的頻率降低而降低，減少開關(guān)管的開關(guān)損耗；同時還可以大大減小推挽式放大模塊的功率損耗，提高其效率。
【IPC分類】H02N2/06
【公開號】CN105429506
【申請?zhí)枴緾N201510908904
【發(fā)明人】高聰哲, 張成春, 劉向東, 陳振
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月10日