平滑冲击驱动机构的压电致动器驱动装置和驱动方法与流程

本发明涉及一种压电致动器驱动装置和驱动方法，特别是，涉及一种能够实现平滑的压电致动器(piezo actuator)振动方式的驱动的平滑冲击驱动机构(smooth impactdrive mechanism,sidm)的压电致动器驱动装置和驱动方法。

背景技术：

1、图1示出了现有技术的压电致动器的驱动回路50。

2、参照图1，在现有技术的压电致动器的驱动回路50中，压电致动器pz的等效电容器通过电源10、20之间的主开关mt1、mt4充电，然后接通谐振开关rt1、rt2，通过谐振电感器lr和压电致动器pz的等效电容器的谐振来改变所述电容器的电压极性，并且接通另一侧的主开关mt2、mt3，以减少流入压电致动器pz的等效电容器的初始浪涌电流的大小。此时，从理论上讲，当谐振回路(rt1、rt2、lr)的电阻为零时，所述电容器被充电大小相同且极性相反的电压。此时，根据谐振电感器lr的电感l的最大电流i和所述电容器的电容c，流入电容c的最大电压v如下式所示。

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4、但是，由于谐振开关rt1、rt2的内部电阻和电感器lr的内部电阻等而会造成能量损失，这种损失会导致谐振时流入所述电容器的相反极性电压低于电源10电压的大小。随着所述电容器的相反极性电压的降低，当接通主开关mt1、mt4/mt2、mt3时，流入所述电容器的浪涌电流增大，该电流的大小会在很多方面恶化压电致动器pz的驱动操作，例如造成很大的功率损失和emi噪声。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种sidm的压电致动器驱动装置和驱动方法，通过消除压电致动器的浪涌电流，可以减少热产生和功耗，并且增加施加电压，从而可以提高振动速度。

3、另外，本发明的目的在于，提供一种sidm的压电致动器驱动装置和驱动方法，插入用于产生谐波的附加脉冲，以施加有利于压电致动器驱动的锯齿波(或三角波)，从而可以进行精确的位移控制。

4、(二)技术方案

5、首先，概括本发明的特征，根据本发明的一个方面，用于实现上述目的的压电致动器驱动装置包括：第一主开关和第二主开关，串联在第一电压和第二电压之间，并且所述第一主开关和所述第二主开关的触点与电感器的一端连接；第三主开关和第四主开关，串联在所述第一电压和所述第二电压之间，并且所述第三主开关和所述第四主开关的触点与所述电感器的另一端连接；以及第一谐振开关、所述压电致动器和第二谐振开关，串联在所述电感器的一端和另一端之间，在接通所述第一谐振开关和所述第二谐振开关的谐振期间，通过所述压电致动器和所述电感器的连接来形成谐振环路，从而可以将所述电感器中预先充电的能量提供给所述压电致动器。

6、在所述压电致动器的正向驱动和反向驱动之间，或者在所述压电致动器的所述反向驱动和所述正向驱动之间，在所述谐振期间形成所述谐振环路之前，可以通过由mosfet构成的所述第一谐振开关的第一寄生二极管和由mosfet构成的所述第二谐振开关的第二寄生二极管中流过所述电感器的电流方向上的寄生二极管和另一侧的谐振开关的接通来形成预环路，从而可以消除在随后的所述谐振环路瞬间流过所述电感器的电流的不连续。

7、在所述压电致动器的正向驱动和反向驱动之间，或者在所述压电致动器的所述反向驱动和所述正向驱动之间，在所述谐振环路的形成期间过后，通过由mosfet构成的所述第一谐振开关的第一寄生二极管和由mosfet构成的所述第二谐振开关的第二寄生二极管中流过所述电感器的电流方向上的寄生二极管和另一侧的谐振开关的接通来形成后环路，从而可以实现从所述电感器到所述压电致动器的残留电流的放电，然后断开所述第一谐振开关和所述第二谐振开关。

8、所述压电致动器可以包括结合到压电元件的驱动杆和插入所述驱动杆的滑块，并且根据驱动信号驱动所述压电元件以驱动所述驱动杆的振动，从而可以通过根据所述滑块的杆-滑动驱动的前进和后退来控制所述滑块的位置位移。

9、所述第一电压可以是与源电压连接的正向二极管的输出侧的电压。

10、驱动信号可以以方波的形式输入到所述压电致动器的两端，并且根据所述方波的驱动频率的一个周期内的高区间之和以及低区间之和的大小来确定所述压电致动器振动的前进或后退，所述驱动信号可以包含在所述驱动频率的一个周期内的低区间的中间时间点插入的用于产生谐波的附加脉冲。

11、另外，根据本发明的另一方面，提供一种压电致动器驱动方法，其根据驱动信号驱动压电元件以驱动结合到所述压电元件的驱动杆的振动，从而控制插入所述驱动杆的滑块的位置位移，其中，用于驱动所述压电致动器的驱动信号以方波的形式输入，并且根据所述方波的驱动频率的一个周期内的高区间之和以及低区间之和的大小来确定所述压电致动器振动的前进或后退，所述驱动信号可以包含在所述驱动频率的一个周期内的低区间的中间时间点插入的用于产生谐波的附加脉冲。

12、所述附加脉冲的脉冲宽度可以被确定为使得所述方波的驱动频率的一个周期内的高区间之和与低区间之和的比例在8.5:1.5至5.5:4.5的范围内。

13、另外，根据本发明的又一个方面，提供一种压电致动器驱动方法，其为执行正向驱动和反向驱动的驱动装置的压电致动器驱动方法，所述正向驱动中将第一电压和第二电压分别施加到压电致动器的第一电极和第二电极，所述反向驱动中将相反电压即第二电压和第一电压分别施加到压电致动器的第一电极和第二电极，其中，所述驱动装置包括：第一主开关和第二主开关，串联在所述第一电压和所述第二电压之间，并且所述第一主开关和所述第二主开关的触点与电感器的一端连接；第三主开关和第四主开关，串联在所述第一电压和所述第二电压之间，并且所述第三主开关和所述第四主开关的触点与所述电感器的另一端连接；以及第一谐振开关、所述压电致动器和第二谐振开关，串联在所述电感器的一端和另一端之间，所述压电致动器驱动方法包括：(a)接通所述第一主开关和所述第四主开关以执行所述正向驱动的步骤；(b)接通所述第三主开关和所述第二主开关以执行所述反向驱动的步骤；以及(c)在所述正向驱动和所述反向驱动之间接通所述第一谐振开关和所述第二谐振开关的谐振步骤，在所述谐振步骤中，通过所述压电致动器和所述电感器的连接来形成谐振环路，从而将所述电感器中预先充电的能量提供给所述压电致动器。

14、(三)有益效果

15、根据本发明的压电致动器驱动装置和驱动方法，具有在向电感器充电并电流充足时，接通谐振开关，以将电压施加到压电致动器的等效电容器的结构，在除初始操作以外的随后操作中，仅向电感器补充相当于谐振回路所消耗的能量的电流，从而以补充极性改变的电容器两端电压的不足电压的形式驱动。

16、因此，1)从能量的角度来看，在现有的发明的情况下，当驱动谐振回路以改变压电致动器的等效电容器的极性时，为了补充消耗的能量，将电压施加到电容器，从而引起浪涌电流，而在本发明的情况下，向电容器补充相当于谐振回路所消耗的能量的电流，其优点是，即使将电压施加到电感器的两端，由于电感器电流的特性，电流也会从零开始逐渐增加，因此不会像直接将电压源施加到电容器时那样产生峰值电流。例如，通过这种方式消除压电致动器的浪涌电流，可以减少热产生和功耗，例如，在以相同电压驱动时，可以将功耗降低到传统的驱动方式的1/10以及传统的生态驱动(eco driving)方式的1/3左右。

17、2)另外，通过调整施加到电感器的电流的大小，可以将高于电源电压的电压施加到压电致动器的等效电容器的两端，其优点是，无需单独的dc-dc转换器就可以将输入到压电致动器的电压最多提高2～3倍(例如，电源电压3.3v->施加8v)，因此可以提高压电致动器的振动速度。

18、3)另外，在本发明中，插入用于产生谐波的附加脉冲，以施加有利于压电致动器驱动的锯齿波(或三角波)，从而可以进行精确的位移控制。