黃俊媛 張 偉 蔣布輝

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，電介質(zhì)一定方向上會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)撤去外加電場(chǎng)時(shí)，這些變形或應(yīng)力也會(huì)隨之消失，這種對(duì)電介質(zhì)施加交變電場(chǎng)引起電介質(zhì)機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)[1]。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可以制成微位移執(zhí)行器件，具有分辨率高、頻響高、推力大、無(wú)噪聲、不發(fā)熱及不易受外界電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)[2]，廣泛應(yīng)用于微位移輸出裝置、閥控制、力發(fā)生裝置、機(jī)器人、微型機(jī)械制造和超精密加工等重要領(lǐng)域[3-5]。

隨著壓電陶瓷的廣泛應(yīng)用及高精度定位需求的增加，對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源也提出了較高要求。目前，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器大都采用高壓運(yùn)放對(duì)壓電陶瓷控制電壓進(jìn)行電壓幅值和功率放大，高壓運(yùn)放的輸出直接驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，具有壓電陶瓷電壓控制精度高的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。但是，受自身耗散功率的限制，高壓運(yùn)放的輸出功率有限，且最高工作電壓由高壓運(yùn)放本身決定，無(wú)法靈活調(diào)整[8]。壓電陶瓷可近似等效為電容，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的線性充放電，充放電時(shí)間和電壓的可控制好，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好[9]。目前常見(jiàn)的恒流源驅(qū)動(dòng)電源輸出電流都比較小，電壓也比較低。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的金學(xué)健等提出了一種改進(jìn)的恒流源壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，在靜態(tài)功耗一定的情況下，提高了其動(dòng)態(tài)輸出能力及競(jìng)爭(zhēng)能力，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的樣機(jī)具有2.4 ～ 300 V的輸出電壓范圍，在靜態(tài)恒定電流為0.1 A時(shí)，動(dòng)態(tài)輸出電流最大僅0.44 A[10]。合肥工業(yè)大學(xué)的吳薇設(shè)計(jì)了一個(gè)可程控、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，測(cè)試的高壓電路電壓輸出只能穩(wěn)定在 8.93～86.95 V的電壓范圍內(nèi)，低壓電路電壓輸出也只穩(wěn)定在 36.81～55.75 V的電壓范圍內(nèi)[11]。對(duì)于具有較高機(jī)械性能，如疊堆型的壓電致動(dòng)器，由于其電容值很大（微法級(jí)），為獲得高的頻率響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電源必須能夠提供很大的瞬時(shí)充放電電流和高驅(qū)動(dòng)電壓，而現(xiàn)有基于恒流源的驅(qū)動(dòng)電源已很難滿足這樣的要求。

針對(duì)高機(jī)械性能、大電容值的壓電陶瓷采用小電流恒流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，存在的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，本文提供了一種高壓大電流壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)電路。基于單片機(jī)控制、光電隔離、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大、MOSFET恒流放大，數(shù)字閉環(huán)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷恒流大電流驅(qū)動(dòng)，輸出電流最高可達(dá)十幾安培，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，而且輸出電壓根據(jù)選擇的MOSFET功率管耐壓值可以高達(dá)幾百甚至上千伏。

1 系統(tǒng)組成

高壓大電流壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(jī)控制電路、光電隔離電路Ⅰ、高速高精度DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路Ⅱ、OPA548功率放電路Ⅱ、電流信號(hào)傳感及調(diào)理電路、電壓信號(hào)傳感及調(diào)理電路組成。

DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路分別輸出兩組SPI串行通訊信號(hào)，其中SPI串行通訊Ⅰ信號(hào)連接至光電隔離電路Ⅰ，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，隔離后的串行通訊信號(hào)再連接至高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路Ⅰ，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)Vin1輸出，該信號(hào)Vin1再輸入OPA548功率放電路Ⅰ進(jìn)行功率放大，峰值輸出電流可達(dá)5 A，放大后的信號(hào)Vd1再連接至MOSFET功率管T1的門(mén)極，實(shí)現(xiàn)MOSFET功率管T1的驅(qū)動(dòng)；同樣地，SPI串行通訊Ⅱ信號(hào)連接至光電隔離電路Ⅱ，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，隔離后的串行通訊信號(hào)再連接至高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路Ⅱ，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)Vin2輸出，該信號(hào)Vin2再輸入OPA548功率放電路Ⅱ進(jìn)行功率放大，然后再連接至MOSFET功率管T2的門(mén)極，實(shí)現(xiàn)MOSFET功率管T2的驅(qū)動(dòng)。

2 主電路設(shè)計(jì)

在圖1中，壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)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(dāng)DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路控制驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vd1使MOSFET功率管T1工作在恒流放大狀態(tài)，且控制驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vd2=0使MOSFET功率管T2關(guān)閉，壓電陶瓷充電電源+VCC對(duì)壓電陶瓷PZT進(jìn)行恒流充電，充電電流的大小由驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vd1的大小和MOSFET功率管T1的轉(zhuǎn)移特性曲線決定；同樣地，當(dāng)DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd1=0使MOSFET功率管T1關(guān)閉，且控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd2使MOSFET功率管T2工作在恒流放大狀態(tài)，壓電陶瓷PZT通過(guò)MOSFET功率管T2對(duì)壓電陶瓷放電電源-VEE恒流放電，放電電流的大小由驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)Vd2的大小和MOSFET功率管T2的轉(zhuǎn)移特性曲線決定。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路

為了實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷充放電電流的控制，采用DSPIC30F5013單片機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)同數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的功能結(jié)合在一起的器件，同時(shí)具有單片機(jī)控制功能強(qiáng)和DSP數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

在圖2中，DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路主要是輸出兩組高速SPI串行通訊信號(hào)，其中，SPI串行通訊Ⅰ包括3路信號(hào)SS1、SCK1和SDO1，SPI串行通訊Ⅱ包括3路信號(hào)SS2、SCK2和SDO2。同時(shí)，通過(guò)3路AD轉(zhuǎn)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(hào)Uf，實(shí)現(xiàn)恒流和電壓精確控制。

圖2 DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路

3.2 光電隔離電路

兩組SPI串行通訊信號(hào)分別通過(guò)光電隔離電路進(jìn)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(shù)字信號(hào)SS1、SCK1和SDO1分別通過(guò)獨(dú)立的光電隔離單元進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)低壓端和高壓端的數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸。

3.3 高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路

高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路Ⅰ和高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路Ⅱ均采用DAC8560轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，串行通訊速率30 MHz，可以實(shí)現(xiàn)DA輸出電壓的快速設(shè)置。其中，高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路Ⅰ的工作原理如圖4所示。

在圖4中，經(jīng)光電隔離電路Ⅰ傳輸過(guò)來(lái)的SPI串行通訊信號(hào)DIN1、SCLK1和SYNC1輸入DAC8560DA轉(zhuǎn)換電路后變換成模擬電壓信號(hào)Vin1輸出。

圖4 高速高精度DA轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(hào)Vin1經(jīng)OPA548功率放大電路放大轉(zhuǎn)換成Vd1，實(shí)現(xiàn)電壓和驅(qū)動(dòng)電流的放大，再連接至MOSFET功率管T1實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)輸出。

3.5 轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示，當(dāng)柵源電壓VGS為0～4 V時(shí)，充放電電流ID為0 A；當(dāng)柵源電壓VGS為4～6 V時(shí)，充放電電流ID為該電壓值對(duì)應(yīng)的電流值。

3.6 電壓電流閉環(huán)控制

因此，根據(jù)圖6的轉(zhuǎn)移特性曲線，DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路通過(guò)光電隔離電路、串行DA轉(zhuǎn)換電路和功率放大電路，將MOSFET功率管的柵源電壓VGS設(shè)置成4～6 V的某一電壓值時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)充放電電流ID的恒定輸出。通過(guò)柵源電壓VGS和充放電電流ID的標(biāo)定，則可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的充放電電流控制。

圖6 MOSFET功率管的轉(zhuǎn)移特性曲線示意圖

同時(shí)，考慮到MOSFET功率開(kāi)關(guān)管的轉(zhuǎn)移特性曲線在不同工作溫度下略有差異，設(shè)計(jì)了壓電陶瓷充放電電流閉環(huán)調(diào)節(jié)回路及DSPIC30F5013單片機(jī)控制程序。在圖1中，采用霍爾電流傳感器IS1串聯(lián)在壓電陶瓷充放電電路中采集電流信號(hào)Ifin，該信號(hào)經(jīng)過(guò)電流信號(hào)調(diào)理電路后變?yōu)槌潆婋娏鱅f充和放電電流If放，然后二者再連接至DSPIC30F5013單片機(jī)控制電路的AD采樣端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)單片機(jī)采集的充放電電流反饋值與設(shè)定值進(jìn)行誤差計(jì)算，并對(duì)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，達(dá)到補(bǔ)償MOSFET工作溫度變化導(dǎo)致的恒流充放電電流差異的目的，從而實(shí)現(xiàn)精確的恒流充放電，控制精度可達(dá)0.1 A。

同樣地，在圖1中，通過(guò)電阻R1、R2采集壓電陶瓷兩端的電壓信號(hào)Ufin，然后再經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理輸入單片機(jī)控制電路的AD采樣端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到壓電陶瓷兩端實(shí)時(shí)的電壓反饋值，再通過(guò)內(nèi)部的電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)程序?qū)崿F(xiàn)精確的充放電電壓控制，電壓控制精度可達(dá)1 V。具體方法是：實(shí)時(shí)檢測(cè)壓電陶瓷電壓Ufin，當(dāng)該電壓接近設(shè)定的壓電陶瓷電壓（比如10 V）時(shí)，將充放電電流減小至0.5 A，并實(shí)時(shí)比較反饋電壓和設(shè)定電壓的差值ΔU，當(dāng)ΔU≤1 V時(shí)，關(guān)閉MOSFET功率管。

4 波形測(cè)試

采用設(shè)計(jì)的高壓大電流壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電容量為6.5 μF的疊堆型壓電陶瓷進(jìn)行充放電試驗(yàn)，設(shè)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(guò)串聯(lián)在充放電回路中的0.5 Ω精密電阻采樣獲得，實(shí)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(jiàn)，所設(shè)計(jì)的高壓大電流壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)小電流恒流充放電，而且能夠以12 A甚至更高的大電流對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行充放電，大大提高了壓電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和恒流放大特性，提出了DSP數(shù)字控制電路、光電隔離電路、高速高精度DA轉(zhuǎn)換電路、OPA548功率放大電路串聯(lián)的高精度大電流壓電陶瓷恒流驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了十幾安培的恒流大電流輸出。

（2）根據(jù)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓選擇響應(yīng)的MOSFET，可以減小恒流驅(qū)動(dòng)電路靜態(tài)功耗，實(shí)現(xiàn)幾百伏甚至上千伏的驅(qū)動(dòng)電壓。

（3）采用高速SPI串行DA轉(zhuǎn)換電路，通訊速率可達(dá)30 M，數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)定時(shí)間為10 μs，可以實(shí)現(xiàn)μs級(jí)動(dòng)態(tài)充放電電流，大大提高了壓電陶瓷電壓控制的靈活性。