CN106487349B - 一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器 - Google Patents

Abstract

一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器，涉及电荷驱动器，目的是为了解决现有电荷控制器低频特性差以及通用性差的问题。运放A₃和运放A₄的同相输入端连接，并作为驱动器的输入端，运放A₄的输出端通过可调增益K₂连接运放A₃的反相输入端，运放A₃的输出端连接高压运放A₁的同相输入端和固定增益K的输入端，高压运放A₁的输出端同时连接传感电容C₁的一端和运放A₂的反相输入端，运放A₂的输出端连接高压运放A₁的反相输入端，传感电容C₁的另一端连接运放A₂的同相输入端、还通过固定增益K₁连接运放A₄的反相输入端、通过可调电阻R连接固定增益K的输出端，压电陶瓷C_p的另一端接地。本发明用于驱动压电陶瓷。

Description

一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器

技术领域

本发明涉及压电陶瓷电荷驱动器，具体涉及一种具有复合型低频通路的压电陶瓷电荷驱动电路。

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％。在电荷驱动电路中，为了消除运算放大器偏置电流导致的输出电压饱和，接地式电荷驱动器多采用电阻分压的方式。如图1所示。但这种方法存在的一个重要缺陷在于低频段控制精度低。当使用频率接近驱动电路的临界转折频率时，电荷驱动方法几乎完全失效，退化为常规的电压驱动器。转折频率定义为其中表示输入电阻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。为了改善低频特性，传统的方法一般采用增大并联电阻R₁的阻值和R_p的阻值。但是电阻过大会导致电路的建立时间明显延长，热噪声显著增加，严重制约了电荷控制的性能。此外，为了达到电压放大增益在全频带范围内的一致，需要匹配 电容和使成立。这使得电荷驱动器的通用性很差，针对每一片压电陶瓷都需要重新调整电路参数。

发明内容

本发明是为了解决现有电荷控制器低频特性差以及难以实现通用化的问题而提出的一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器。

本发明所述的一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器，包括传感电容C₁、可调电阻R、压电陶瓷C_p、高压运放A₁、运放A₂、运放A₃、运放A₄、固定增益K、固定增益K₁和可调增益K₂，运放A₃的同相输入端和运放A₄的同相输入端连接，并作为所述压电陶瓷电荷驱动器的输入端，运放A₄的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接运放A₃的反相输入端，运放A₃的输出端同时连接高压运放A₁的同相输入端和固定增益K的输入端，高压运放A₁的输出端同时连接传感电容C₁的一端和运放A₂的反相输入端，运放A₂的输出端连接高压运放A₁的反相输入端，传感电容C₁的另一端同时连接运放A₂的同相输入端、固定增益K₁的输入端、可调电阻R的一端和压电陶瓷C_p的一端，固定增益K₁的输出端连接运放A₄的反相输入端，可调电阻R的另一端连接固定增益K的输出端，压电陶瓷C_p的另一端接地。

一、与传统的采用分压电阻耦合电容来实现低频通路的方法相比，本发明将驱动器的高频通路与低频通路解耦。这样，电荷驱动器的电压增益在全频带范围内保持一致，并且仅取决于所选传感电容与压电陶瓷自身电容的比值。另一方面，转折频率仅仅通过一个可调电阻进行设定。当切换到较小的阻值时，电路的建立时间可以显著缩短。

二、当信号频率接近于转折频率时，电荷驱动器输出电压的非线性程度降低，这是导致低频特性差的根本原因。基于此，本发明在降低转折频率的同时，采用一种非线性补偿方法对输出电压进行补偿。这样在原本接近失效的频段内，电荷控制方法仍然有效。从另一个角度拓展了电荷控制的有效频率范围。

本发明将上述两种方法结合起来，得到一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明提出的方案与已有电荷驱动器相比，在全频段内的电压增益仅仅取决于一个参数的取值，极大增强了电路的通用性。

二、在不增加电路建立时间的同时能够实现任意低的转折频率，从而大幅度拓展了电荷控制的有效频带。

三、采用非线性补偿方法，在接近失效的频率范围内对输出电压进行补偿，进一步拓展了控制带宽。

附图说明

图1是传统接地式电荷驱动器电路原理图；

图2是本发明接地式电荷驱动电路原理图。

具体实施方式

结合图2说明本实施方式，本实施方式采用接地式结构，即将压电陶瓷接于高压运放的输出端和地之间。图2中，C₁和C_p构成高频交流通路，增益K和可调电阻R构成低频交流通路，增益K₁和可调增益K₂构成非线性补偿回路。

高频交流通路是电荷驱动器的主工作回路，用来消除压电陶瓷的迟滞非线性。高频通路的下限截止频率就是驱动器的转折频率，决定了驱动器的有效工作频带。可调电阻R和压电陶瓷C_p唯一地确定了转折频率 表示可调电阻R的阻值，表示压电陶瓷C_p的电容值，改变R的阻值一方面能够设置任意低的转折频率，另一方面可以调整电路的建立时间。

低频交流通路的作用有两点：其一是为运算放大器的输入偏置电流提供一条泄放路径，防止出现输出电压饱和失真；其二是为压电陶瓷提供合适的直流偏置电压。

非线性补偿回路将电荷驱动器的输出电压经K₁衰减后与输入信号求差，可调增益K₂用来调整输出信号的非线性，当可调增益K₂的增益值介于-1和0之间时，输出非线性增强，这样在原本接近失效的频率范围内，电荷放大器仍然正常工作，进一步拓展了电路的频率范围。

Claims (2)

1.一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器，其特征在于，包括传感电容C₁、可调电阻R、压电陶瓷C_p、高压运放A₁、运放A₂、运放A₃、运放A₄、固定增益K、固定增益K₁和可调增益K₂，运放A₃的同相输入端和运放A₄的同相输入端连接，并作为所述压电陶瓷电荷驱动器的输入端，运放A₄的输出端连接可调增益K₂的输入端，可调增益K₂的输出端连接运放A₃的反相输入端，运放A₃的输出端同时连接高压运放A₁的同相输入端和固定增益K的输入端，高压运放A₁的输出端同时连接传感电容C₁的一端和运放A₂的反相输入端，运放A₂的输出端连接高压运放A₁的反相输入端，传感电容C₁的另一端同时连接运放A₂的同相输入端、固定增益K₁的输入端、可调电阻R的一端和压电陶瓷C_p的一端，固定增益K₁的输出端连接运放A₄的反相输入端，可调电阻R的另一端连接固定增益K的输出端，压电陶瓷C_p的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合低频通路的接地式压电陶瓷电荷驱动器，其特征在于，可调增益K₂的增益值介于-1和0之间。