高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路設計＊

黃俊媛 張 偉 蔣布輝

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

在電介質的極化方向施加電場，電介質一定方向上會產生機械變形或機械壓力，當撤去外加電場時，這些變形或應力也會隨之消失，這種對電介質施加交變電場引起電介質機械變形的現象，稱為逆壓電效應[1]。利用壓電陶瓷的逆壓電效應可以制成微位移執行器件，具有分辨率高、頻響高、推力大、無噪聲、不發熱及不易受外界電磁場干擾等優點[2]，廣泛應用于微位移輸出裝置、閥控制、力發生裝置、機器人、微型機械制造和超精密加工等重要領域[3-5]。

隨著壓電陶瓷的廣泛應用及高精度定位需求的增加，對壓電陶瓷驅動電源也提出了較高要求。目前，壓電陶瓷驅動器大都采用高壓運放對壓電陶瓷控制電壓進行電壓幅值和功率放大，高壓運放的輸出直接驅動壓電陶瓷，具有壓電陶瓷電壓控制精度高的優點[6-7]。但是，受自身耗散功率的限制，高壓運放的輸出功率有限，且最高工作電壓由高壓運放本身決定，無法靈活調整[8]。壓電陶瓷可近似等效為電容，采用恒流源驅動可以實現壓電陶瓷的線性充放電，充放電時間和電壓的可控制好，而且電路結構簡單，穩定性好[9]。目前常見的恒流源驅動電源輸出電流都比較小，電壓也比較低。中國科學技術大學的金學健等提出了一種改進的恒流源壓電陶瓷驅動電源，在靜態功耗一定的情況下，提高了其動態輸出能力及競爭能力，壓電陶瓷驅動電源的樣機具有2.4 ～ 300 V的輸出電壓范圍，在靜態恒定電流為0.1 A時，動態輸出電流最大僅0.44 A[10]。合肥工業大學的吳薇設計了一個可程控、穩定性好、響應速度快的壓電陶瓷驅動電源系統，測試的高壓電路電壓輸出只能穩定在 8.93～86.95 V的電壓范圍內，低壓電路電壓輸出也只穩定在 36.81～55.75 V的電壓范圍內[11]。對于具有較高機械性能，如疊堆型的壓電致動器，由于其電容值很大（微法級），為獲得高的頻率響應，驅動電源必須能夠提供很大的瞬時充放電電流和高驅動電壓，而現有基于恒流源的驅動電源已很難滿足這樣的要求。

針對高機械性能、大電容值的壓電陶瓷采用小電流恒流電源進行驅動時，存在的動態響應速度慢等問題，本文提供了一種高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路。基于單片機控制、光電隔離、高精度數模轉換、功率放大、MOSFET恒流放大，數字閉環控制等技術，實現了壓電陶瓷恒流大電流驅動，輸出電流最高可達十幾安培，大大提高了系統的動態響應特性，而且輸出電壓根據選擇的MOSFET功率管耐壓值可以高達幾百甚至上千伏。

1 系統組成

高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路主要由主電路和控制電路兩部分組成，如圖1所示。

圖1 高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路組成

其中，主電路主要由壓電陶瓷PZT、充電電源+VCC、MOSFET功率管T1、MOSFET功率管T2和放電電源-VEE組成，主要功能是實現壓電陶瓷的高壓大電流恒流充電和放電。控制電路主要由DSPIC30F5013單片機控制電路、光電隔離電路Ⅰ、高速高精度DA轉換電路Ⅰ、OPA548功率放電路Ⅰ、光電隔離電路Ⅱ、高速高精度DA轉換電路Ⅱ、OPA548功率放電路Ⅱ、電流信號傳感及調理電路、電壓信號傳感及調理電路組成。

DSPIC30F5013單片機控制電路分別輸出兩組SPI串行通訊信號，其中SPI串行通訊Ⅰ信號連接至光電隔離電路Ⅰ，通過光電轉換實現信號隔離，隔離后的串行通訊信號再連接至高速高精度DA轉換電路Ⅰ，將數字信號轉換成模擬電壓信號Vin1輸出，該信號Vin1再輸入OPA548功率放電路Ⅰ進行功率放大，峰值輸出電流可達5 A，放大后的信號Vd1再連接至MOSFET功率管T1的門極，實現MOSFET功率管T1的驅動；同樣地，SPI串行通訊Ⅱ信號連接至光電隔離電路Ⅱ，通過光電轉換實現信號隔離，隔離后的串行通訊信號再連接至高速高精度DA轉換電路Ⅱ，將數字信號轉換成模擬電壓信號Vin2輸出，該信號Vin2再輸入OPA548功率放電路Ⅱ進行功率放大，然后再連接至MOSFET功率管T2的門極，實現MOSFET功率管T2的驅動。

2 主電路設計

在圖1中，壓電陶瓷恒流驅動主電路主要由壓電陶瓷PZT、MOSFET功率管T1和MOSFET功率管T2組成。其中，MOSFET功率管T1的源極與MOSFET功率管T2的漏極相連，然后再連接至壓電陶瓷PZT，壓電陶瓷充電電源+VCC連接在MOSFET功率管T1的漏極，壓電陶瓷放電電源-VEE連接在MOSFET功率管T2的源極。

當DSPIC30F5013單片機控制電路控制驅動電壓信號Vd1使MOSFET功率管T1工作在恒流放大狀態，且控制驅動電壓信號Vd2=0使MOSFET功率管T2關閉，壓電陶瓷充電電源+VCC對壓電陶瓷PZT進行恒流充電，充電電流的大小由驅動電壓信號Vd1的大小和MOSFET功率管T1的轉移特性曲線決定；同樣地，當DSPIC30F5013單片機控制電路控制驅動信號Vd1=0使MOSFET功率管T1關閉，且控制驅動信號Vd2使MOSFET功率管T2工作在恒流放大狀態，壓電陶瓷PZT通過MOSFET功率管T2對壓電陶瓷放電電源-VEE恒流放電，放電電流的大小由驅動電壓信號Vd2的大小和MOSFET功率管T2的轉移特性曲線決定。

3 控制電路設計

3.1 DSPIC30F5013單片機控制電路

為了實現壓電陶瓷充放電電流的控制，采用DSPIC30F5013單片機設計了壓電陶瓷大電流恒流充放電控制電路，如圖2所示。DSPIC30F5013是一款將高性能16位單片機同數字信號處理器（DSP）的功能結合在一起的器件，同時具有單片機控制功能強和DSP數字信號處理能力強的優點。

在圖2中，DSPIC30F5013單片機控制電路主要是輸出兩組高速SPI串行通訊信號，其中，SPI串行通訊Ⅰ包括3路信號SS1、SCK1和SDO1，SPI串行通訊Ⅱ包括3路信號SS2、SCK2和SDO2。同時，通過3路AD轉換通道IAD1、IAD2和UAD1接收壓電陶瓷的充電電流If充、放電電流If放和充放電電壓信號Uf，實現恒流和電壓精確控制。

圖2 DSPIC30F5013單片機控制電路

3.2 光電隔離電路

兩組SPI串行通訊信號分別通過光電隔離電路進行光電隔離。光電隔離電路Ⅰ和光電隔離電路Ⅱ均由3組相同的光電隔離單元組成，其中光電隔離電路Ⅰ的工作原理圖如圖3所示。

圖3 光電隔離電路Ⅰ

在圖3中，SPI串行通訊Ⅰ的數字信號SS1、SCK1和SDO1分別通過獨立的光電隔離單元進行隔離，實現低壓端和高壓端的數字信號的隔離傳輸。

3.3 高速高精度DA轉換電路

高速高精度DA轉換電路Ⅰ和高速高精度DA轉換電路Ⅱ均采用DAC8560轉換電路，DAC8560是一款低功耗、電壓輸出、單通道，16位及3線制串行DA轉換電路，串行通訊速率30 MHz，可以實現DA輸出電壓的快速設置。其中，高速高精度DA轉換電路Ⅰ的工作原理如圖4所示。

在圖4中，經光電隔離電路Ⅰ傳輸過來的SPI串行通訊信號DIN1、SCLK1和SYNC1輸入DAC8560DA轉換電路后變換成模擬電壓信號Vin1輸出。

圖4 高速高精度DA轉換電路Ⅰ

3.4 功率放大電路

OPA548功率放大電路Ⅰ和OPA548功率放大電路Ⅱ具有相同的電路結構，由集成功率放大器OPA548和反相比例放大電路組成。其中，OPA548功率放大電路Ⅰ的工作原理如圖5所示。

圖5 OPA548功率放大電路原理圖

在圖5中，輸入的模擬電壓信號Vin1經OPA548功率放大電路放大轉換成Vd1，實現電壓和驅動電流的放大，再連接至MOSFET功率管T1實現恒流驅動輸出。

3.5 轉移特性曲線

為了滿足壓電陶瓷PZT +200 V充電電壓、-30 V放電電壓的要求， MOSFET功率開關管采用FAIRCHILD公司的FDA38N30 N溝道MOSFET，最高耐壓值為300 V，最大輸出電流為38 A。該MOSFET功率開關管的轉移特性曲線如圖6所示，當柵源電壓VGS為0～4 V時，充放電電流ID為0 A；當柵源電壓VGS為4～6 V時，充放電電流ID為該電壓值對應的電流值。

3.6 電壓電流閉環控制

因此，根據圖6的轉移特性曲線，DSPIC30F5013單片機控制電路通過光電隔離電路、串行DA轉換電路和功率放大電路，將MOSFET功率管的柵源電壓VGS設置成4～6 V的某一電壓值時，則可以實現充放電電流ID的恒定輸出。通過柵源電壓VGS和充放電電流ID的標定，則可以實現準確的充放電電流控制。

圖6 MOSFET功率管的轉移特性曲線示意圖

同時，考慮到MOSFET功率開關管的轉移特性曲線在不同工作溫度下略有差異，設計了壓電陶瓷充放電電流閉環調節回路及DSPIC30F5013單片機控制程序。在圖1中，采用霍爾電流傳感器IS1串聯在壓電陶瓷充放電電路中采集電流信號Ifin，該信號經過電流信號調理電路后變為充電電流If充和放電電流If放，然后二者再連接至DSPIC30F5013單片機控制電路的AD采樣端口進行模數轉換。根據單片機采集的充放電電流反饋值與設定值進行誤差計算，并對MOSFET功率開關管的驅動電壓進行適當調整，達到補償MOSFET工作溫度變化導致的恒流充放電電流差異的目的，從而實現精確的恒流充放電，控制精度可達0.1 A。

同樣地，在圖1中，通過電阻R1、R2采集壓電陶瓷兩端的電壓信號Ufin，然后再經電壓信號調理電路進行處理輸入單片機控制電路的AD采樣端口進行模數轉換得到壓電陶瓷兩端實時的電壓反饋值，再通過內部的電壓閉環調節程序實現精確的充放電電壓控制，電壓控制精度可達1 V。具體方法是：實時檢測壓電陶瓷電壓Ufin，當該電壓接近設定的壓電陶瓷電壓（比如10 V）時，將充放電電流減小至0.5 A，并實時比較反饋電壓和設定電壓的差值ΔU，當ΔU≤1 V時，關閉MOSFET功率管。

4 波形測試

采用設計的高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路對電容量為6.5 μF的疊堆型壓電陶瓷進行充放電試驗，設置不同的恒流充放電電流，獲得的壓電陶瓷兩端電壓和充放電電流波形如圖7所示。在圖7中，示波器通道1為壓電陶瓷兩端的電壓值，通道3采集的是壓電陶瓷的充放電電流，通過串聯在充放電回路中的0.5 Ω精密電阻采樣獲得，實際的充放電電流為通道3的采樣值除以0.5 Ω。

圖7 不同充放電電流下的壓電陶瓷電壓和電流波形

由圖7可見，所設計的高壓大電流壓電陶瓷恒流驅動電路不僅能夠實現小電流恒流充放電，而且能夠以12 A甚至更高的大電流對壓電陶瓷進行充放電，大大提高了壓電系統的動態響應特性。

5 結語

（1）基于MOSFET的轉移特性曲線和恒流放大特性，提出了DSP數字控制電路、光電隔離電路、高速高精度DA轉換電路、OPA548功率放大電路串聯的高精度大電流壓電陶瓷恒流驅動電路結構，實現了十幾安培的恒流大電流輸出。

（2）根據壓電陶瓷的驅動電壓選擇響應的MOSFET，可以減小恒流驅動電路靜態功耗，實現幾百伏甚至上千伏的驅動電壓。

（3）采用高速SPI串行DA轉換電路，通訊速率可達30 M，數模轉換設定時間為10 μs，可以實現μs級動態充放電電流，大大提高了壓電陶瓷電壓控制的靈活性。