阅读说明：本技术 一种压电双晶片电荷驱动电路 (A kind of piezoelectric bimorph charge driving circuit ) 是由 潘成亮 戴天亮 石超 于连栋 夏豪杰 李维诗 胡民港 丰安辉 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种压电双晶片电荷驱动电路,涉及压电精密驱动控制领域,压电双晶片的上层和下层电压片分别与传感电容串联设置在高压直流正负电源之间,高压放大器的输出端连接压电双晶片的中间公共电极,传感电容精确感知上层和下层压电片的电荷,并通过隔离放大器和差动放大器处理后与控制信号源比较,反馈控制压电双晶片的电荷差值。本发明简化压电双晶片的驱动电路,降低控制系统成本,避免反向电压驱动,利用电荷驱动方法极大提高了压电双晶片弯曲位移的控制精度。(The invention discloses a kind of piezoelectric bimorph charge driving circuits, it is related to Precision Piezoelectric drive control field, the upper and lower voltage piece of piezoelectric bimorph is arranged in series between high voltage direct current positive-negative power respectively with sensing capacitance, the intermediate public electrode of the output end connection piezoelectric bimorph of high-voltage amplifier, sensing capacitance accurately perceives the charge on upper layer and lower layer's piezoelectric patches, and after being handled by isolated amplifier and differential amplifier compared with controlling signal source, the charge difference of feedback control piezoelectric bimorph.The present invention simplifies the driving circuit of piezoelectric bimorph, reduces control system cost, avoids backward voltage from driving, greatly improve the control precision of piezoelectric bimorph bending displacement using charge driving method.)

一种压电双晶片电荷驱动电路

技术领域

本发明涉及压电精密驱动控制领域，具体涉及一种压电双晶片电荷驱动电路。

背景技术

压电驱动器利用压电材料的逆压电效应，通过施加在材料内部的电场引起材料内部的应变或应力，从而形成压电驱动器宏观的形变位移或驱动力。压电驱动器具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快、不受电磁干扰等优点，广泛应用于生物医疗、材料化学、物理电子等领域纳米定位操作的应用场合。

压电双晶片是最常见的压电驱动结构，利用上层和下层压电片的非平衡伸缩应变(如上层压电片伸长，下层压电片缩短)，形成压电双晶片的弯曲形变位移，具有结构简单、形变位移大等特点。由于压电双晶片至少包含两个压电片，且施加的内部电场强度不同，上层和下层压电片需要两个高压放大器分别驱动，控制难度和系统成本较高。为了降低驱动电路的复杂度，专利号US5233256提出通过优化电极连接实现单个高压放大器共同驱动，但由于压电驱动器需避免过大的反向驱动电压，该方法的有效驱动电压范围受到限制。为了扩大驱动电压的范围，专利号CN108258931A提出通过二极管和并联电阻改变上层和下层压电片的驱动电压比例，但由于并联电阻和电容的阻抗特性，该方法的有效驱动频率范围受到限制。

此外，压电驱动器的驱动电压与形变位移之间存在迟滞、蠕变等非线性关系，压电驱动器的位移控制精度受到电压控制方法的制约。由于压电驱动器的电荷与形变位移之间存在较好的线性关系，使用电荷驱动电路替代电压驱动电路可大大提高压电驱动器的位移控制精度。然而，由于电压驱动电路和电荷驱动电路存在结构和特性差异，适用于压电双晶片的电压驱动电路不能简单地转换为电荷驱动电路，且现有电压驱动电路也存在诸多问题。因此，需要进一步结合压电双晶片和电荷驱动电路的特点，提出更加简单、精密、有效的压电双晶片电荷驱动电路和控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种压电双晶片电荷驱动电路，以解决现有技术中压电双晶片驱动电路结构复杂、精度差等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种压电双晶片电荷驱动电路，包括压电双晶片、传感电容A、传感电容B、高压直流正电源、高压直流负电源、高压放大器、隔离放大器A、隔离放大器B、差动放大器和控制信号源；

所述压电双晶片的上层压电片通过其上电极与传感电容A串联后连接高压直流正电源，所述压电双晶片的下层压电片通过其下电极与传感电容B串联后连接高压直流负电源，上层压电片和下层压电片的中间公共电极连接高压放大器的输出端；

所述隔离放大器A的输入端与传感电容A连接，所述隔离放大器B的输入端与传感电容B连接；

所述差动放大器的输入端分别与隔离放大器A和隔离放大器B的输出端连接；

所述高压放大器的输入端分别与控制信号源和差动放大器的输出端连接。

进一步：所述压电双晶片采用从上向下的极化方向。

进一步：所述传感电容A和传感电容B分别采用高精度高线性的聚苯乙烯电容器，二者其电容量为压电双晶片电容量的10～100倍。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)压电双晶片的上层和下层电压片分别与传感电容串联设置在高压直流正负电源之间，只需要一个高压放大器连接压电双晶片的中间公共电极，通过中间公共电极的电压调节上层和下层压电片的电荷差值，简化驱动电路，降低控制系统成本，同时避免反向驱动电压的影响。

(2)采用高精度高线性的传感电容，并与压电片之间设定合适的电容比值，在较小的分压损失下精确感知上层和下层压电片的电荷，进而通过隔离放大器和差动放大器处理后与控制信号源比较，反馈控制压电双晶片的电荷差值，从而提高弯曲位移控制精度。同时，采用隔离放大器避免传感电容的电荷受到后续处理电路的影响。

附图说明

图1为本发明压电双晶片电荷驱动电路的原理示意图；

图2为本发明压电双晶片的结构示意图；

图3为本发明压电双晶片电荷与电压的关系图；

图4为本发明压电双晶片电荷与位移的关系图；

图5为本发明控制信号源电压和压电双晶片电荷的波形图；

图6为本发明压电双晶片在电荷和电压驱动下的迟滞特性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，一种压电双晶片电荷驱动电路，包括压电双晶片1、传感电容A2-1、传感电容B2-2、高压直流正电源3、高压直流负电源4、高压放大器5、隔离放大器A6-1、隔离放大器B6-2、差动放大器7和控制信号源8；

所述压电双晶片1的上层压电片1-1通过其上电极a与传感电容A2-1串联后连接高压直流正电源3，所述压电双晶片1的下层压电片1-2通过其下电极b与传感电容B2-2串联后连接高压直流负电源4，上层压电片1-1和下层压电片1-2的中间公共电极c连接高压放大器5的输出端；

所述隔离放大器A6-1的输入端与传感电容A2-1连接，将上层压电片1-1的电荷信号放大输出，所述隔离放大器B6-2的输入端与传感电容B2-2连接，将下层压电片1-2的电荷信号放大输出；

所述差动放大器7的输入端分别与隔离放大器A6-1和隔离放大器B6-2的输出端连接，将上层压电片1-1和下层压电片1-2的电荷差值信号放大输出；

所述高压放大器5的输入端分别与控制信号源8和差动放大器7的输出端连接，构成负反馈控制回路，将控制信号源8和差动放大器7的误差信号放大输出；

所述压电双晶片1采用从上向下的极化方向；

所述传感电容A2-1和传感电容B2-2分别采用高精度高线性的聚苯乙烯电容器，二者其电容量为压电双晶片1电容量的10～100倍。

在本实施例中，上层压电片1-1和下层压电片1-2的规格相同，传感电容A2-1和传感电容B2-2的规格相同，隔离放大器A6-1和隔离放大器B6-2的规格相同。

具体工作过程及原理：

如图3所示，在压电双晶片的实际应用过程中，由于电压驱动的非线性特性，压电双晶片1中每个压电片的实际电容随驱动电压改变，每个压电片的电压U_P、参考电容C_P和电荷Q_P之间的关系可表示为：

Q_P＝U_P(1+δ)C_P (1)

其中δ为描述压电片迟滞特性的变量。

如图4所示，压电驱动器的电荷与形变位移之间存在较好的线性关系，压电双晶片1的弯曲形变位移x_P和上层压电片1-1的电荷量Q₁与下层压电片1-2的电荷量Q₂之差Q₂-Q₁之间的关系为：

x_P＝α(Q₂-Q₁) (2)

其中α为常数。

如图1-2所示，传感电容A2-1和传感电容B2-2的电容均为常量C_S，上层压电片1-1的电压为U_P1，上层传感电容A2-1的电压为U_S1，下层压电片1-2的电压为U_P2，下层传感电容B2-2的电压为U_S2，则上层压电片1-1的电荷Q₁和下层压电片1-2的电荷Q₂分别表示为：

其中δ₁和δ₂分别为描述上层压电片1-1和下层压电片1-2迟滞特性的变量。

高压直流正电源3和高压直流负电源4的电压分别为V_CC和V_SS，高压放大器5的输出电压为U_o，电压V_CC、V_SS和U_o满足关系式：

由公式4可得，高压放大器5的输出电压U_o表示为：

设隔离放大器A6-1和隔离放大器B6-2的增益均为1，差动放大器7的增益为常量K_S，则差动放大器7的输出电压△U_S表示为：

高压放大器5的开环增益为K，控制信号源8的电压为U_i，则高压放大器5的输出电压U_o亦可表示为：

U_o＝K(U_i-△U_S) (7)

由公式5和7可得，压电双晶片1的电荷差值可表示为：

当参量满足：

压电双晶片1的电荷差值约为：

由公式2和10可得，压电双晶片1的弯曲形变位移x_P可表示为：

其中α、C_S和K_S为常数，即压电双晶片1的弯曲形变位移x_P与控制信号源8的电压U_i满足线性关系。

如图5所示，当初始情况下控制信号源8的电压U_i为零时，上层压电片1-1的电荷Q₁和下层压电片1-2的电荷Q₂相等，上层压电片1-1和下层双晶片压电双晶片1-2产生平衡应变，压电双晶片1不发生弯曲；随着电压U_i的增大，上层压电片1-1因电荷Q₁增大而缩短，下层压电片1-2因电荷Q₂减小而伸长，压电双晶片1向上弯曲形变；随着电压U_i的减小，上层压电片1-1因电荷Q₁减小而伸长，下层压电片1-2因电荷Q₂增大而缩短，压电双晶片1向下弯曲形变。

如图6所示，压电双晶片1的电荷差值Q₂-Q₁随着控制信号源8的电压U_i变化且保持线性关系，从而精确控制压电双晶片1的弯曲形变位移x_P，测试结果表明电荷驱动下的迟滞相比电压驱动下的迟滞有明显的改善。