高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路设计＊

黄俊媛 张 伟 蒋布辉

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

在电介质的极化方向施加电场，电介质一定方向上会产生机械变形或机械压力，当撤去外加电场时，这些变形或应力也会随之消失，这种对电介质施加交变电场引起电介质机械变形的现象，称为逆压电效应[1]。利用压电陶瓷的逆压电效应可以制成微位移执行器件，具有分辨率高、频响高、推力大、无噪声、不发热及不易受外界电磁场干扰等优点[2]，广泛应用于微位移输出装置、阀控制、力发生装置、机器人、微型机械制造和超精密加工等重要领域[3-5]。

随着压电陶瓷的广泛应用及高精度定位需求的增加，对压电陶瓷驱动电源也提出了较高要求。目前，压电陶瓷驱动器大都采用高压运放对压电陶瓷控制电压进行电压幅值和功率放大，高压运放的输出直接驱动压电陶瓷，具有压电陶瓷电压控制精度高的优点[6-7]。但是，受自身耗散功率的限制，高压运放的输出功率有限，且最高工作电压由高压运放本身决定，无法灵活调整[8]。压电陶瓷可近似等效为电容，采用恒流源驱动可以实现压电陶瓷的线性充放电，充放电时间和电压的可控制好，而且电路结构简单，稳定性好[9]。目前常见的恒流源驱动电源输出电流都比较小，电压也比较低。中国科学技术大学的金学健等提出了一种改进的恒流源压电陶瓷驱动电源，在静态功耗一定的情况下，提高了其动态输出能力及竞争能力，压电陶瓷驱动电源的样机具有2.4 ～ 300 V的输出电压范围，在静态恒定电流为0.1 A时，动态输出电流最大仅0.44 A[10]。合肥工业大学的吴薇设计了一个可程控、稳定性好、响应速度快的压电陶瓷驱动电源系统，测试的高压电路电压输出只能稳定在 8.93～86.95 V的电压范围内，低压电路电压输出也只稳定在 36.81～55.75 V的电压范围内[11]。对于具有较高机械性能，如叠堆型的压电致动器，由于其电容值很大（微法级），为获得高的频率响应，驱动电源必须能够提供很大的瞬时充放电电流和高驱动电压，而现有基于恒流源的驱动电源已很难满足这样的要求。

针对高机械性能、大电容值的压电陶瓷采用小电流恒流电源进行驱动时，存在的动态响应速度慢等问题，本文提供了一种高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路。基于单片机控制、光电隔离、高精度数模转换、功率放大、MOSFET恒流放大，数字闭环控制等技术，实现了压电陶瓷恒流大电流驱动，输出电流最高可达十几安培，大大提高了系统的动态响应特性，而且输出电压根据选择的MOSFET功率管耐压值可以高达几百甚至上千伏。

1 系统组成

高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路主要由主电路和控制电路两部分组成，如图1所示。

图1 高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路组成

其中，主电路主要由压电陶瓷PZT、充电电源+VCC、MOSFET功率管T1、MOSFET功率管T2和放电电源-VEE组成，主要功能是实现压电陶瓷的高压大电流恒流充电和放电。控制电路主要由DSPIC30F5013单片机控制电路、光电隔离电路Ⅰ、高速高精度DA转换电路Ⅰ、OPA548功率放电路Ⅰ、光电隔离电路Ⅱ、高速高精度DA转换电路Ⅱ、OPA548功率放电路Ⅱ、电流信号传感及调理电路、电压信号传感及调理电路组成。

DSPIC30F5013单片机控制电路分别输出两组SPI串行通讯信号，其中SPI串行通讯Ⅰ信号连接至光电隔离电路Ⅰ，通过光电转换实现信号隔离，隔离后的串行通讯信号再连接至高速高精度DA转换电路Ⅰ，将数字信号转换成模拟电压信号Vin1输出，该信号Vin1再输入OPA548功率放电路Ⅰ进行功率放大，峰值输出电流可达5 A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1的门极，实现MOSFET功率管T1的驱动；同样地，SPI串行通讯Ⅱ信号连接至光电隔离电路Ⅱ，通过光电转换实现信号隔离，隔离后的串行通讯信号再连接至高速高精度DA转换电路Ⅱ，将数字信号转换成模拟电压信号Vin2输出，该信号Vin2再输入OPA548功率放电路Ⅱ进行功率放大，然后再连接至MOSFET功率管T2的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动。

2 主电路设计

在图1中，压电陶瓷恒流驱动主电路主要由压电陶瓷PZT、MOSFET功率管T1和MOSFET功率管T2组成。其中，MOSFET功率管T1的源极与MOSFET功率管T2的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷PZT，压电陶瓷充电电源+VCC连接在MOSFET功率管T1的漏极，压电陶瓷放电电源-VEE连接在MOSFET功率管T2的源极。

当DSPIC30F5013单片机控制电路控制驱动电压信号Vd1使MOSFET功率管T1工作在恒流放大状态，且控制驱动电压信号Vd2=0使MOSFET功率管T2关闭，压电陶瓷充电电源+VCC对压电陶瓷PZT进行恒流充电，充电电流的大小由驱动电压信号Vd1的大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；同样地，当DSPIC30F5013单片机控制电路控制驱动信号Vd1=0使MOSFET功率管T1关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2工作在恒流放大状态，压电陶瓷PZT通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电电源-VEE恒流放电，放电电流的大小由驱动电压信号Vd2的大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定。

3 控制电路设计

3.1 DSPIC30F5013单片机控制电路

为了实现压电陶瓷充放电电流的控制，采用DSPIC30F5013单片机设计了压电陶瓷大电流恒流充放电控制电路，如图2所示。DSPIC30F5013是一款将高性能16位单片机同数字信号处理器（DSP）的功能结合在一起的器件，同时具有单片机控制功能强和DSP数字信号处理能力强的优点。

在图2中，DSPIC30F5013单片机控制电路主要是输出两组高速SPI串行通讯信号，其中，SPI串行通讯Ⅰ包括3路信号SS1、SCK1和SDO1，SPI串行通讯Ⅱ包括3路信号SS2、SCK2和SDO2。同时，通过3路AD转换通道IAD1、IAD2和UAD1接收压电陶瓷的充电电流If充、放电电流If放和充放电电压信号Uf，实现恒流和电压精确控制。

图2 DSPIC30F5013单片机控制电路

3.2 光电隔离电路

两组SPI串行通讯信号分别通过光电隔离电路进行光电隔离。光电隔离电路Ⅰ和光电隔离电路Ⅱ均由3组相同的光电隔离单元组成，其中光电隔离电路Ⅰ的工作原理图如图3所示。

图3 光电隔离电路Ⅰ

在图3中，SPI串行通讯Ⅰ的数字信号SS1、SCK1和SDO1分别通过独立的光电隔离单元进行隔离，实现低压端和高压端的数字信号的隔离传输。

3.3 高速高精度DA转换电路

高速高精度DA转换电路Ⅰ和高速高精度DA转换电路Ⅱ均采用DAC8560转换电路，DAC8560是一款低功耗、电压输出、单通道，16位及3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30 MHz，可以实现DA输出电压的快速设置。其中，高速高精度DA转换电路Ⅰ的工作原理如图4所示。

在图4中，经光电隔离电路Ⅰ传输过来的SPI串行通讯信号DIN1、SCLK1和SYNC1输入DAC8560DA转换电路后变换成模拟电压信号Vin1输出。

图4 高速高精度DA转换电路Ⅰ

3.4 功率放大电路

OPA548功率放大电路Ⅰ和OPA548功率放大电路Ⅱ具有相同的电路结构，由集成功率放大器OPA548和反相比例放大电路组成。其中，OPA548功率放大电路Ⅰ的工作原理如图5所示。

图5 OPA548功率放大电路原理图

在图5中，输入的模拟电压信号Vin1经OPA548功率放大电路放大转换成Vd1，实现电压和驱动电流的放大，再连接至MOSFET功率管T1实现恒流驱动输出。

3.5 转移特性曲线

为了满足压电陶瓷PZT +200 V充电电压、-30 V放电电压的要求， MOSFET功率开关管采用FAIRCHILD公司的FDA38N30 N沟道MOSFET，最高耐压值为300 V，最大输出电流为38 A。该MOSFET功率开关管的转移特性曲线如图6所示，当栅源电压VGS为0～4 V时，充放电电流ID为0 A；当栅源电压VGS为4～6 V时，充放电电流ID为该电压值对应的电流值。

3.6 电压电流闭环控制

因此，根据图6的转移特性曲线，DSPIC30F5013单片机控制电路通过光电隔离电路、串行DA转换电路和功率放大电路，将MOSFET功率管的栅源电压VGS设置成4～6 V的某一电压值时，则可以实现充放电电流ID的恒定输出。通过栅源电压VGS和充放电电流ID的标定，则可以实现准确的充放电电流控制。

图6 MOSFET功率管的转移特性曲线示意图

同时，考虑到MOSFET功率开关管的转移特性曲线在不同工作温度下略有差异，设计了压电陶瓷充放电电流闭环调节回路及DSPIC30F5013单片机控制程序。在图1中，采用霍尔电流传感器IS1串联在压电陶瓷充放电电路中采集电流信号Ifin，该信号经过电流信号调理电路后变为充电电流If充和放电电流If放，然后二者再连接至DSPIC30F5013单片机控制电路的AD采样端口进行模数转换。根据单片机采集的充放电电流反馈值与设定值进行误差计算，并对MOSFET功率开关管的驱动电压进行适当调整，达到补偿MOSFET工作温度变化导致的恒流充放电电流差异的目的，从而实现精确的恒流充放电，控制精度可达0.1 A。

同样地，在图1中，通过电阻R1、R2采集压电陶瓷两端的电压信号Ufin，然后再经电压信号调理电路进行处理输入单片机控制电路的AD采样端口进行模数转换得到压电陶瓷两端实时的电压反馈值，再通过内部的电压闭环调节程序实现精确的充放电电压控制，电压控制精度可达1 V。具体方法是：实时检测压电陶瓷电压Ufin，当该电压接近设定的压电陶瓷电压（比如10 V）时，将充放电电流减小至0.5 A，并实时比较反馈电压和设定电压的差值ΔU，当ΔU≤1 V时，关闭MOSFET功率管。

4 波形测试

采用设计的高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路对电容量为6.5 μF的叠堆型压电陶瓷进行充放电试验，设置不同的恒流充放电电流，获得的压电陶瓷两端电压和充放电电流波形如图7所示。在图7中，示波器通道1为压电陶瓷两端的电压值，通道3采集的是压电陶瓷的充放电电流，通过串联在充放电回路中的0.5 Ω精密电阻采样获得，实际的充放电电流为通道3的采样值除以0.5 Ω。

图7 不同充放电电流下的压电陶瓷电压和电流波形

由图7可见，所设计的高压大电流压电陶瓷恒流驱动电路不仅能够实现小电流恒流充放电，而且能够以12 A甚至更高的大电流对压电陶瓷进行充放电，大大提高了压电系统的动态响应特性。

5 结语

（1）基于MOSFET的转移特性曲线和恒流放大特性，提出了DSP数字控制电路、光电隔离电路、高速高精度DA转换电路、OPA548功率放大电路串联的高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路结构，实现了十几安培的恒流大电流输出。

（2）根据压电陶瓷的驱动电压选择响应的MOSFET，可以减小恒流驱动电路静态功耗，实现几百伏甚至上千伏的驱动电压。

（3）采用高速SPI串行DA转换电路，通讯速率可达30 M，数模转换设定时间为10 μs，可以实现μs级动态充放电电流，大大提高了压电陶瓷电压控制的灵活性。