基于动态应用的宽频带压电陶瓷驱动电源的研究

论文摘要

随着科学技术的发展和研究领域的不断扩展,操作对象已从宏观领域深入到微观领域。为完成微细电火花加工、内燃机燃油喷射、扫描探针电子显微镜的高速扫描、打印机及复印机的压电喷墨、高性能硬盘驱动等微纳米级操作,不仅需要达到一定的定位精度,而且对系统动态性能及有效带宽的要求也越来越高。作为纳米级定位领域的一种新型材料,压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点,是一种理想的微位移元件。在高速定位条件下,目前实际应用中的压电陶瓷驱动电源普遍存在带载能力显著下降,闭环频响带宽较窄等缺点。针对压电陶瓷驱动存在的上述问题,本文通过分析电压型驱动器原理及电路参数,提出了一种基于反馈零点补偿和噪声增益补偿技术的混合型补偿方法。利用该技术对压电陶瓷驱动放大模块进行补偿后,有效地提高了驱动模块的频带带宽及动态性能。针对压电陶瓷驱动电源在动态应用中需要利用各种动态波形作为输入信号的要求,设计了一种基于FPGA的直接数字频率合成(DDS)波形发生系统。为便于驱动电源的集成化,本文结合所设计的驱动器及AVR单片机建立了完整的压电陶瓷微定位控制系统。最后,结合压电陶瓷微动工作台,建立了纳米级定位实验系统。通过理论研究和实验验证可知,本文的研究工作对提高压电陶瓷微驱动系统的性能,进一步扩展压电陶瓷在动态性能要求较高的微驱动领域中的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 压电陶瓷驱动电源国内外研究现状及分析
• 1.2.1 电压控制型压电陶瓷驱动电源
• 1.2.2 电流/电荷控制型压电陶瓷驱动电源
• 1.2.3 混合控制型压电陶瓷驱动电源
• 1.3 频率合成技术背景简介
• 1.3.1 直接频率合成技术
• 1.3.2 锁相频率合成技术
• 1.3.3 直接数字频率合成（DSS）技术
• 1.4 论文的主要研究内容及结构安排
• 第2章 宽频带压电陶瓷驱动模块的研究
• 2.1 引言
• 2.2 电压反馈控制型压电陶瓷驱动模块的原理
• 2.2.1 多级放大式驱动电路的原理
• 2.2.2 桥式放大电路的驱动原理
• 2.3 电压反馈型放大电路的稳定性
• 2.3.1 闭环反馈系数
• 2.3.2 闭合斜率与稳定性
• 2.4 容性负载的稳定性补偿方法
• 2.4.1 驱动容性负载的放大电路原理
• 2.4.2 Riso及CL补偿
• 2.4.3 反馈零点补偿
• 2.4.4 噪声增益补偿
• 2.5 压电陶瓷驱动电源功放模块设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 DDS系统的设计与仿真实现
• 3.1 引言
• 3.2 直接数字频率合成（DDS）技术原理
• 3.3 基于DDS技术的数字波形合成
• 3.3.1 DDS系统的频率调整
• 3.3.2 DDS系统的幅值调整
• 3.3.3 DDS系统的结构设计
• 3.3.4 DDS系统的仿真分析
• 3.4 滤波设计
• 3.4.1 滤波电路简介
• 3.4.2 二阶压控低通滤波电路（LPF）设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 压电陶瓷驱动电源控制系统及软件设计
• 4.1 压电陶瓷驱动电源总体结构设计
• 4.2 数字部分电路设计
• 4.2.1 串口通信电路设计
• 4.2.2 键盘输入和液晶显示电路设计
• 4.2.3 DSS部分电路设计
• 4.3 模拟部分电路设计
• 4.3.1 电源供电电路设计
• 4.3.2 D/A转换电路设计
• 4.3.3 A/D转换电路设计
• 4.3.4 功放电路设计
• 4.4 软件部分设计
• 4.4.1 驱动电源控制程序
• 4.4.2 人机交互通信程序的编写
• 4.5 本章小结
• 第5章 压电陶瓷驱动系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.3 实验及结果分析
• 5.3.1 国内外压电陶瓷驱动器产品性能测试
• 5.3.2 多级放大模块性能测试
• 5.3.3 桥式放大驱动模块性能测试
• 5.4 DDS波形发生模块实验测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢