压电陶瓷驱动装置

1.本发明属于压电陶瓷电源驱动技术领域，尤其涉及压电陶瓷驱动装置。


背景技术：

2.近年来，压电陶瓷以其重量小、位移精度高、分辨率高及推力大、频响快、不发热、不产生噪声等优点，在精密制造、光学仪器、机器人等领域中得到了广泛应用。尤其是在科学级自适应变形镜控制结构中，压电陶瓷以其小体积、大带宽、高分辨率等优势，成为自适应变形镜力学执行单元的首选元件。
3.压电陶瓷在外加电场作用下将发生形变，输出的力或位移与输入电压呈现近似线性的关系。但压电陶瓷机构能否正常有效的工作，特别是其动态特性，主要依赖于其驱动装置的性能。一般地，压电陶瓷的驱动装置通常由电压放大模块和稳压电源模块构成，它们固定平布在驱动装置的机盒中。
4.电压放大模块在电路设计原理结构上又可分为基于分立元件构成的功率驱动电路和基于集成器件串并联形式构成的驱动电路。集成器件的使用不仅缩小了电路板的体积，增加了装置集成度，同时减少分立器件中的寄生电容，减少了自激现象的产生，增强了放大模块的可靠性。
5.稳压电源模块主要是为电压放大模块提供功率级直流稳压电源。一般地，对于几通道的电压放大模块，当所需功率较小时，稳压电源模块可以和电压放大模块同时绘制在同一块电路板上直接平布，或者分立平布在两块底板上，稳压电源模块通过导线为电压放大模块供电。但总的来说，目前稳压电源模块的设计指标和结构都是根据电压放大模块功能结构和道通数对应设计的，只其能在对应的特定系统中使用，不能扩展，不易调整。对于多通道的电压放大模块，当所需功率较大时，装置往往会外配稳压电源，将电压放大模块和稳压电源模块变为两个分立的装置。
6.虽然以上驱动结构在几通道或者几十通道的压电陶瓷驱动中可以胜任，但是对百通道级甚至千通道级的科学级自适应变形镜压电系统中，简单的基于集成器件的固定平布式结构已经不能满足实际科研和工程需要。第一，百通道级驱动装置中，电压放大模块平布放置体积庞大、结构臃肿，不易工程应用；第二，百通道级电压放大模块统一放置在同一块电路板上，使得布线极为复杂，一旦完成又不可更改，增加了设计成本；第三，科学级自适应变形镜在研制过程中可能需要反复修改执行单元的数量和规格，固定的平铺结构又不易随之更改，稳压电源模块无法随同一块电路板对应设计，即便设计也不易调整，只能采用外供，导致了整个装置机械结构无法确定，影响研发过程，同时造成设计成本提高和资源浪费。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种压电陶瓷驱动装置，旨在解决现有技术中无法低设计成本、简便实现百通道级压电陶瓷驱动装置等技术问题。
8.本发明提供了一种压电陶瓷驱动装置，所述装置包括电压放大模块和稳压电源模块，所述电压放大模块和所述稳压电源模块均以直立且可插拔形式连接在电路板上。
9.具体的，所述装置包括多个压电陶瓷驱动阵列单元，各压电陶瓷驱动阵列单元均包括电压放大模块和稳压电源模块。
10.具体的，所述压电陶瓷驱动阵列单元还包括驱动阵列底板，所述驱动阵列底板与所述电路板电连接，所述电压放大模块和所述稳压电源模块以插拔卡的形式连接在所述驱动阵列底板上，并通过所述驱动阵列底板中的布线相互电连接。
11.具体的，所述电压放大模块包括电压放大模块插拔卡和电压放大模块插拔接口，所述稳压电源模块包括稳压电源模块插拔卡和稳压电源模块插拔接口，所述驱动阵列底板包括底板插拔接口。
12.具体的，所述电压放大模块插拔卡和所述稳压电源模块插拔卡的pcb板采用4层板单面布局结构。
13.具体的，所述电压放大模块插拔接口和所述稳压电源模块插拔接口为平出针型插拔接口，所述底板插拔接口为直出孔型插拔接口。
14.具体的，所述平出针型插拔接口和所述直出孔型插拔接口均采用带卡扣的双排引脚进行封装。
15.具体的，所述压电陶瓷驱动阵列单元中电压放大模块和稳压电源模块的数量比为10:2或10:1。
16.具体的，所述压电陶瓷驱动阵列单元还包括电气接口，所述电气接口包括da信号输入接口、模拟电源输入接口、初级功率电源输入接口、驱动信号输出接口。
17.具体的，多个所述压电陶瓷驱动阵列单元并排封装在控制机箱中，所述控制机箱还包括接口板，所述接口板与各压电陶瓷驱动阵列单元电连接。
18.由于本发明示出的压电陶瓷驱动装置中的电压放大模块和所述稳压电源模块均以直立且可插拔形式连接在电路板上，因此可以提高百通道级压电陶瓷驱动装置的密度，在控制线路清晰有序的同时，大大缩小了驱动装置的体积。在使用过程中，可根据工程需求配置板卡，增强了系统实用性，单个通道出现故障可独立进行维护，降低了维护成本；并且如若后期被驱动元件发生较大改变，只需独立改变电压放大模块，有利于升级换代，大大降低了设计成本。
附图说明
19.图1是本发明实施例示出的压电陶瓷驱动装置的机械结构示意图。
20.图2是本发明实施例示出的压电陶瓷驱动装置的电气结构框图。
21.图3是本发明实施例示出的压电陶瓷驱动装置中压电陶瓷驱动阵列单元的结构示意图。
22.图4是本发明实施例示出的压电陶瓷驱动装置中电压放大模块插拔接口、稳压电源模块插拔接口和底板插拔接口的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
25.图1为根据一实施例示出的压电陶瓷驱动装置的机械结构示意图。该压电陶瓷驱动装置适用于压电陶瓷中。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
26.如图1所示，压电陶瓷驱动装置包括：1前面板、2后面板、3右面板、4左面板、5组合驱动阵列、6显示屏、7接口板、8换热风扇、9初级开关电源、10模拟开关电源、11通风板。整个装置的电气结构框图如图2所示。
27.图1中，压电陶瓷驱动装置包括电压放大模块和稳压电源模块，所述电压放大模块和所述稳压电源模块均以直立且可插拔形式连接在电路板上。
28.图1中的压电陶瓷驱动装置中，由于电压放大模块和所述稳压电源模块均是独立插拔，因此可以提高百通道级压电陶瓷驱动装置的密度，在控制线路清晰有序的同时，大大缩小了驱动装置的体积。在使用过程中，可根据工程需求配置板卡，增强了系统实用性，单个通道出现故障可独立进行维护，降低了维护成本；并且如若后期被驱动元件发生较大改变，只需独立改变电压放大模块，有利于升级换代，大大降低了设计成本。
29.具体的，压电陶瓷驱动装置包括多个压电陶瓷驱动阵列单元。压电陶瓷驱动阵列单元的数量和机箱的体积可灵活调整，以适应变形镜研发过程中的反复修改，加快研发进度，避免资源浪费。
30.如图3所示，各压电陶瓷驱动阵列单元均包括电压放大模块、稳压电源模块、驱动阵列底板和电气接口。所述驱动阵列底板与所述电路板电连接，所述电压放大模块和所述稳压电源模块以插拔卡的形式连接在所述驱动阵列底板上，并通过所述驱动阵列底板中的布线相互电连接。通过电气接口，压电陶瓷驱动阵列单元接收信号输入，并在进行信号处理后进行信号输出。
31.具体的，电压放大模块包括电压放大模块插拔卡和电压放大模块插拔接口，稳压电源模块包括稳压电源模块插拔卡和稳压电源模块插拔接口，驱动阵列底板包括底板插拔接口。如图3所示，1为分立的驱动阵列底板，2为集成的稳压电源模块插拔板卡，3为电压放大模块插拔板卡，4为电气接口。由此可见，每一个压电陶瓷驱动阵列单元中，电压放大模块插拔卡通过电压放大模块插拔接口插接于底板插拔接口上，所述稳压电源模块插拔卡通过稳压电源模块插拔接口插接于底板插拔接口上。
32.优选的，如图4所示，其中1为电压放大模块插拔板卡或稳压电源模块插拔板卡的pcb板，2为平出针型插拔接口，3为底板的直出孔型插拔接口。电压放大模块插拔接口和稳压电源模块插拔接口为平出针型插拔接口，所述底板插拔接口为直出孔型插拔接口，平出针型插拔接口可以保证pcb板直立连接，方便插拔。除了保证相应板块的电气连接性之外，同时作为相应板块的机械连接结构，平出针型插拔接口结构可保证接口连接针与自身板块的90
°
机械连接结构，使插拔板块直立，提高装置密度。同时，考虑到底板接口供电，因此底板的接口设为孔型，以保证电气安全。
33.为了保证系统电气连接性完整和连接强度，所述平出针型插拔接口和所述直出孔型插拔接口均采用带卡扣的双排引脚进行封装。例如，使用16
×
2的2.54mil接口封装。
34.优选的，为了满足集成放大电路良好的电气信号完整性，同时保证功率运放ic的
散热性能，所述电压放大模块插拔卡和所述稳压电源模块插拔卡的pcb板均采用4层板单面布局结构，即集成放大电路的各个芯片放置在pcb板正面。pcb板内层第2层为完整地面平，以保证信号完整性和散热性能。如有需要在pcb板背面，功率运放ic的正下方的一块区域采用去阻焊布局，将地平面铜箔露出，将尺寸相当的计算机用ic散热瓦片焊接到裸露的地平面铜箔上，保证高频输出时功率运放ic的良好散热性能。
35.需要说明的是，每一个压电陶瓷驱动阵列单元中的电气接口从左到右依次是da信号输入接口、模拟电源输入接口、初级功率电源输入接口、驱动信号输出接口。其中da信号是由前端上位机提供的用于压电陶瓷驱动的待放大模拟信号，模拟电源输入接口是用来为电压放大模块的运放供电，初级功率电源输入接口用于为稳压电源模块提供低压输入电源，经稳压电源模块转为高压驱动电源，为电压放大模块供电。每个压电陶瓷驱动阵列单元的da信号和驱动信号通过总线连接到控制机箱后面板的接口板7。不同压电陶瓷驱动阵列单元之间并无直接电气联系，相互独立工作，在机械结构上并列安装在控制机箱中。不同压电陶瓷驱动阵列单元的通过电气接口4与接口板7通过总线集束连接，这样的设计既可保证百通道级的驱动能力，又使布线布局成本降低，使用时又增强了数量的灵活度。
36.优选的，压电陶瓷驱动阵列单元中，电压放大模块和稳压电源模块的数量比为10:2或10:1。
37.为了保证驱动阵列的高密度集成，集成放大电路的驱动功率运放适宜采用集成ic，在市面上常见的功率级集成运放产品中，有单通道，双通道和四通道封装，为了保证集成度和良好的信号完整性，并避免过于复杂的布局走线，功率运放ic宜采用双通道输出，底部散热型贴片封装。现有功率级集成驱动运放的失调电压较大，为实现科学级自适应变形镜10mv级以下的控制精度，宜采用双级复合放大结构，前级采用高增益超低失调电压的高精密运放，后级采用高功率驱动运放。
38.综合考虑市面上现有模拟器件和功率器件的带载能力、规格尺寸，pcb布线布局的设计成本，结合科学级变形镜的驱动要求，采用一块电压放大模块插拔卡完成2路驱动，10块插拔卡即为20路驱动，5个压电陶瓷驱动阵列单元的组合即为100路驱动。根据不同的负载大小和驱动响应频率，选择了电源的功率和尺寸。根据市面上的常规功率器件设计成的电源，10:1的分配比例亦可满足使用，10:2的配比是冗余设计，保证稳定性和方便升级换代。
39.通常的，一般采用模拟驱动方式的压电陶瓷驱动装置将采用
±
12v或
±
15v的模拟电源、100v以上的直流功率电源分别供电。本装置的外部供电只需要220v市电，只需要在装置机箱后端留有一个通用的电源接口即可，极大的增加了系统的集成度。220v电源为9初级开关电源和10模拟开关电源供电。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。