本发明公开了一种压电陶瓷驱动电路及其驱动方法，驱动电路包括：开关控制电路、储能电感和压电陶瓷；其中：所述开关控制电路，用于通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；所述储能电感，一是能够与开关控制电路的部分开关管构成升压直流斩波电路，利用从低压电源吸收的能量(充电过程)，将压电陶瓷工作电源升压(放电过程)至工作状态所需高压；二是在压电陶瓷微动工作过程(逆压电效应)代替电阻，限制压电陶瓷正向充电电流，减少电能损耗；同时回收反向充电(压电效应)时的能量。实施本发明，能够利用标准供电低压电源自升压驱动压电陶瓷，并能有效降低功耗，节能环保。
所述开关控制电路，用于通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；其中，所述开关控制电路包括6个MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管；六个所述MOS管为第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；所述第一二极管的正极、第一MOS管的源极、第二MOS管的源极相互连接，并连接至低压供电电源；所述第一二极管的负极、第三MOS管的源极、第四MOS管的源极相互连接，并连接至压电陶瓷的工作电源；所述第三MOS管的漏极、第六MOS管的漏极、第三二极管的负极连接，并通过所述储能电感连接至压电陶瓷的一端；所述第三二极管的正极连接至第二MOS管的漏极；所述第二二极管的正极连接第一MOS管的漏极，所述第二二极管的负极连接至压电陶瓷的另一端；所述第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极连接，并连接至压电陶瓷的另一端；所述第五MOS管的源极、第六MOS管的源极连接并接地；所述第四二极管为第三MOS管的寄生二极管；所述第五二极管为第四MOS管的寄生二极管；所述第六二极管为所述第五MOS管寄生二极管；所述第七二极管为所述第六MOS管寄生二极管；所有MOS管的栅极用于连接至可输出脉冲信号的脉冲输出端；
所述储能电感，用于与开关控制电路的预定开关管构成升压直流斩波电路，以利用从低压电源吸收的能量将压电陶瓷工作电源升压至工作状态所需高压；
所述储能电感，还用于在压电陶瓷微动工作过程限制压电陶瓷正向充电电流；同时回收反向充电时的能量。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述开关管为MOS管或者三极管。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述第一二极管的正向导通压降为VD；压电陶瓷的工作电压为VPPset；记MOS管的栅极收到的脉冲信号Vi＝1时，对应的MOS管导通；Vi＝0时，对应的MOS管截止，i＝(1,2,3,4,5,6)；
向压电陶瓷的工作电源充电，直至工作电源的电压VPP达到VDD-VD；其中，VDD为所述低压供电电源的低压供电电压；
MSO管、第三二极管和第五MOS管向储能电感和压电陶瓷正向充电，直至储能电感的电流IL达到设定参考电流Iref；
二极管和第五二极管续流，向压电陶瓷的工作电源充电，直至IL为零；
一MOS管、第二二极管和第六MOS管向储能电感和压电陶瓷反向充电，直至IL达到Iref；
二极管和第四二极管续流，向压电陶瓷的工作电源充电，直至IL为零；
重复以下流程直至压电陶瓷的电压达到工作电源的工作电源：通过控制脉冲信号使得 使得所述工作电源向所述
当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由接地经第五二极管和第七二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0；
当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由低压供电电源经第三二极管和第五二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0。
4.根据权利要求3所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述开关控制电路还用于：重复以下流程直至压电陶瓷的电压达到工作电源的工作电源：通过控制脉冲信号使得 使得所述工作电源向所
当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由接地经第四二极管和第六二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0；
当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由低压供电电源经第二二极管和第四二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0。
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述低压供电电压为24V。
6.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管为PMOS管；所述第五MOS管、第六MOS管为NMOS管。
7.根据权利要求3所述的压电陶瓷驱动电路，其特征在于，所述设定参考电流Iref与储能电感的电感、压电陶瓷、工作电源的工作电压、低压供电电压相关。
8.一种压电陶瓷驱动电路的驱动方法，能够应用于如权利要求1至7任一项所述的压电陶瓷驱动电路中，其特征在于，包括：开关控制电路通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；
储能电感与开关控制电路的预定开关管构成升压直流斩波电路，以利用从低压电源吸收的能量将压电陶瓷工作电源升压至工作状态所需高压；
所述储能电感还在压电陶瓷微动工作过程限制压电陶瓷正向充电电流；同时回收反向充电时的能量。
9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所有所述MOS管的栅极连接至脉冲输出端，并通过接收所述脉冲输出端输出的脉冲信号实现导通或者截止。
一种压电陶瓷驱动电路及其驱动方法
技术领域
[0001] 本发明涉及压电陶瓷技术领域，尤其涉及一种压电陶瓷驱动电路及其驱动方法。
背景技术
[0002] 压电陶瓷由于具有机电耦合效率高、位移分辨率高、响应快等优点，被广泛应用于微机械、微电子、精密加工、生物医学、机器人和航空航天等领域，越来越引起学术界和工程界的高度关注。
[0003] 在实际驱动微位移机构的应用中，压电陶瓷驱动器可以被看成一个耗散功率的电容，本身消耗的能量较小，但是在驱动负载时，会在驱动电路中产生较大的电流。目前的控制与驱动方法普遍存在功耗大、效率低的问题，造成能量的浪费。另外，一般压电控制系统需要根据被控对象的特征额外配备不同规格的专用驱动高压电源，增加了系统的复杂性，集成度低。
发明内容
[0004] 本发明提出一种压电陶瓷驱动电路及其驱动方法，能够利用标准供电低压电源自升压驱动负载，并能有效降低功耗，节能环保。
[0005] 本发明实施例提供一种压电陶瓷驱动电路，包括：
[0006] 开关控制电路、储能电感和压电陶瓷；其中：
[0007] 所述开关控制电路，用于通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；
[0008] 所述储能电感，用于与开关控制电路的预定开关管构成升压直流斩波电路，以利用从低压电源吸收的能量将压电陶瓷工作电源升压至工作状态所需高压；
[0009] 所述储能电感，还用于在压电陶瓷微动工作过程限制压电陶瓷正向充电电流；同时回收反向充电时的能量。
[0010] 优选地，所述开关管为MOS管或者三极管。
[0011] 优选地，所述开关控制电路包括6个MOS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管；六个所述MOS管为第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；所述第一二极管的正极、第一MOS管的源极、第二MOS管的源极相互连接，并连接至低压供电电源；所述第一二极管的负极、第三MOS管的源极、第四MOS管的源极相互连接，并连接至压电陶瓷的工作电源；所述第三MOS管的漏极、第六MOS管的漏极、第三二极管的负极连接，并通过所述储能电感连接至压电陶瓷的一端；所述第三二极管的正极连接至第二MOS管的漏极；所述第二二极管的正极连接第一MOS管的漏极，所述第二二极管的负极连接至压电陶瓷的另一端；所述第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极连接，并连接至压电陶瓷的另一端；所述第五MOS管的源极、第六MOS管的源极连接并接地；所述第四二极管为第三MOS管的寄生二极管；所述第五二极管为第四MOS管的寄生二极管；所述第六二极管为所述第五MOS管寄生二极管；所述第七二极管为所述第六MOS管寄生二极管；所有MOS管的栅极用于连接至可输出脉冲信号的脉冲输出端。
[0012] 优选地，所述第一二极管的正向导通压降为VD；压电陶瓷的工作电压为VPPset；记MOS管的栅极收到的脉冲信号Vi＝1时，对应的MOS管导通；Vi＝0时，对应的MOS管截止，i＝(1,2,3,4,5,6)；
[0013] 则所述开关控制电路具体用于：
[0014] 在初始充电升压过程中：
[0015] 通过控制脉冲信号使得 低压供电电源通过第一二极管向压电陶瓷的工作电源充电，直至工作电源的电压VPP达到VDD-VD；其中，VDD为所述低压供电电源的低压供电电压；
[0016] 在升压过程中：
[0017] 通过控制脉冲信号使得 由低压供电电源通过第二MSO管、第三二极管和第五MOS管向储能电感和压电陶瓷正向充电，直至储能电感的电流IL达到设定参考电流Iref；
[0018] 通过控制脉冲信号使得 以控制储能电感通过第三二极管和第五二极管续流，向压电陶瓷的工作电源充电，直至IL为零；
[0019] 通过控制脉冲信号使得 控制低压供电电源通过第一MOS管、第二二极管和第六MOS管向储能电感和压电陶瓷反向充电，直至IL达到Iref；
[0020] 通过控制脉冲信号使得 以控制储能电感通过第二二极管和第四二极管续流，向压电陶瓷的工作电源充电，直至IL为零；
[0021] 在正常工作过程中：
[0022] 重复以下流程直至压电陶瓷的电压达到工作电源的工作电源：
[0023] 通过控制脉冲信号使得 使得所述工作电源向所述压电陶瓷正向充电；
[0024] 当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由接地经第五二极管和第七二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0；
[0025] 当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由低压供电电源经第三二极管和第五二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0。
[0026] 优选地，所述开关控制电路还用于：
[0027] 重复以下流程直至压电陶瓷的电压达到工作电源的工作电源：
[0028] 通过控制脉冲信号使得 使得所述工作电源向所述压电陶瓷反向充电；
[0029] 当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由接地经第四二极管和第六二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0；
[0030] 当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感由低压供电电源经第二二极管和第四二极管续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0。
[0031] 优选地，所述低压供电电压为24V。
[0032] 优选地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管为PMOS管；所述第五MOS管、第六MOS管为NMOS管。
[0033] 优选地，所述设定参考电流Iref与储能电感的电感、压电陶瓷、工作电源的工作电压、低压供电电压相关。
[0034] 本发明实施例还提供了一种压电陶瓷驱动电路的驱动方法，能够应用于如上述的压电陶瓷驱动电路中，包括：
[0035] 开关控制电路通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；
[0036] 储能电感与开关控制电路的预定开关管构成升压直流斩波电路，以利用从低压电源吸收的能量将压电陶瓷工作电源升压至工作状态所需高压；
[0037] 所述储能电感还在压电陶瓷微动工作过程限制压电陶瓷正向充电电流；同时回收反向充电时的能量。
[0038] 优选地，所有所述MOS管的栅极连接至脉冲输出端，并通过接收所述脉冲输出端输出的脉冲信号实现导通或者截止。
[0039] 实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0040] 1、具有自升压功能，无需外接工作电源，仅需低压供电电源即可。
[0041] 2、节能环保，采用储能电感代替一般的电路中的电阻与压电陶瓷配合工作，通过储能电感的储能能力进行能量回收，有节能的功效。
附图说明
[0042] 图1是本发明第一实施例提供的陶瓷电压驱动电路的结构示意图；
[0043] 图2是本发明第二实施例提供的陶瓷电压驱动方法的流程示意图。
具体实施方式
[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 参见图1，是本发明第一实施例提供的陶瓷电压驱动电路的结构示意图，包括：
[0046] 开关控制电路1、储能电感2和压电陶瓷3；其中：
[0047] 所述开关控制电路1，用于通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动。
[0048] 所述储能电感2，一是能够与开关控制电路1的部分开关管构成升压直流斩波电路，利用从低压电源吸收的能量(充电过程)，将压电陶瓷工作电源升压(放电过程)至工作状态所需高压；二是在压电陶瓷微动工作过程(逆压电效应)代替电阻，限制压电陶瓷正向充电电流，减少电能损耗；同时回收反向充电(压电效应)时的能量。
[0049] 在本实施例中，所述开关管可为MOS管或者三极管。以下以MOS管为例进行说明，当然三极管的情况也在本发明的保护范围之内，在此不做赘述。
[0050] 具体地，在本实施例中，所述开关控制电路1包括6个MOS管、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7；六个所述MOS管为第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3、第四MOS管T4、第五MOS管T5和第六MOS管T6；所述第一二极管D1的正极、第一MOS管T1的源极、第二MOS管T2的源极相互连接，并连接至低压供电电源；所述第一二极管D1的负极、第三MOS管T3的源极、第四MOS管T4的源极相互连接，并连接至压电陶瓷3的工作电源；所述第三MOS管T3的漏极、第六MOS管T 6的漏极、第三二极管D 3的负极连接，并通过所述储能电感2连接至压电陶瓷3的一端；所述第三二极管D3的正极连接至第二MOS管T2的漏极；所述第二二极管T2的正极连接第一MOS管T1的漏极，负极连接至压电陶瓷3的另一端；所述第四MOS管T4的漏极、第五MOS管T5的漏极连接，并连接至压电陶瓷3的另一端；所述第五MOS管T5的源极、第六MOS管T6的源极连接并接地；所述第四二极管D4为第三MOS管T3的寄生二极管；所述第五二极管D5为第四MOS管T4的寄生二极管；所述第六二极管D6为所述第五MOS管T5寄生二极管；所述第七二极管D7为所述第六MOS管T6寄生二极管；所有MOS管的栅极用于连接至可输出脉冲信号的脉冲输出端。
[0051] 以下将详细介绍基于本实施例的压电陶瓷驱动电路进行负载驱动的方法。
[0052] 记所述第一二极管D1的正向导通压降为VD；压电陶瓷3的工作电压为VPPset；记MOS管的栅极收到的脉冲信号Vi＝1时，对应的MOS管导通；Vi＝0时，对应的MOS管截止，i＝(1,2,3,4,5,6)。例如，第一MOS管T1的栅极收到的脉冲信号为V1，当V1＝1时，第一MOS管T1导通，当V1＝0时，第一MOS管T1截止。第二MOS管T2，第三MOS管T3，第四MOS管T4，第五MOS管T5，第六MOS管T6的道理相同，在此不做赘述。
[0053] 首先，在初始充电升压过程中：
[0054] 控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得 此时，低压供电电源通过第一二极管D1向压电陶瓷3的工作电源(图1中的VPP)充电，直至工作电源的电压VPP达到VDD-VD；其中，VDD为所述低压供电电源提供的低压供电电压，例如，可为
24V。
[0055] 接着，在升压过程中：
[0056] (1)控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得此时，由低压供电电源通过第二MSO管T2、第三二极管D3和第五MOS管T5向储能电感2和压电陶瓷3正向充电，直至储能电感2的电流IL达到设定参考电流Iref(所述设定参考电流Iref与储能电感2的电感、压电陶瓷3、工作电源的工作电压、低压供电电压相关)。
[0057] (2)控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得以控制储能电感2通过第三二极管D3和第五二极管D5续流，向压电陶瓷2的工作电源充电，直至IL为零。
[0058] (3)控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得 ＝V5＝0。此时，低压供电电源通过第一MOS管T1、第二二极管D2和第六MOS管T6向储能电感2和压电陶瓷3反向充电，直至IL达到Iref。
[0059] (4)通过控制脉冲信号使得 以控制储能电感2通过第二二极管D2和第四二极管D4续流，向压电陶瓷2的工作电源充电，直至IL为零。
[0060] 然后，在正常工作过程中，对于PZT正向工作：
[0061] (1)控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得此时，所述工作电源向所述压电陶瓷正向充电；
[0062] (2)在正向充电的过程中，当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感2由接地经第五二极管D5和第七二极管D7续流，向压电陶瓷2和工作电源充电，直至IL为0；
[0063] (3)当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感2由低压供电电源经第三二极管D3和第五二极管D5续流，向压电陶瓷2和工作电源充电，以补充正向工作时所产生的损耗，直至IL为0。
[0064] (4)重复以上流程直至压电陶瓷3的电压VPZT达到工作电源的工作电源VPP(此时，)。
[0065] 对于PZT反向工作：
[0066] (1)控制脉冲输出端输出相应的脉冲信号，使得使得所述工作电源向所述压电陶瓷反向充电。
[0067] (2)在工作过程中，当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP大于等于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感2由接地经第四二极管D4和第六二极管D6续流，向压电陶瓷和工作电源充电，直至IL为0；
[0068] (3)当检测到IL大于等于Iref且所述工作电源的电压VPP小于工作电压VPPset时，通过控制脉冲信号使得 控制储能电感2由低压供电电源经第二二极管D2和第四二极管D4续流，向压电陶瓷2和工作电源充电，以补充反向工作时所产生的损耗，直至IL为0。
[0069] (4)重复以上流程直至压电陶瓷3的电压VPZT达到工作电源的工作电源VPP(此时，)。
[0070] 需要说明的是，上述实施例中，所述第一MOS管T1、第二MOS管T2、第三MOS管T3、第四MOS管T4为PMOS管；所述第五MOS管T5、第六MOS管T6为NMOS管。
[0071] 上述实施例具有如下有益效果：
[0072] 1、具有自升压功能，无需外接工作电源，仅需低压供电电源即可。
[0073] 2、节能环保，采用储能电感代替一般的电路中的电阻与压电陶瓷配合工作，通过储能电感的储能能力进行能量回收，有节能的功效。
[0074] 3、基于设计的驱动方法，能够实现该电路工作过程中的同步升压。
[0075] 请参阅图2，本发明第二实施例还提供了一种压电陶瓷驱动电路的驱动方法，能够应用于如上述实施例所述的压电陶瓷驱动电路中，包括：
[0076] S1，开关控制电路通过开关管的导通或截止来循环驱动所述压电陶瓷微动；
[0077] S2，储能电感与开关控制电路的预定开关管构成升压直流斩波电路，以利用从低压电源吸收的能量将压电陶瓷工作电源升压至工作状态所需高压。
[0078] S3，所述储能电感还在压电陶瓷微动工作过程限制压电陶瓷正向充电电流；同时回收反向充电时的能量。
[0079] 优选地，所有所述MOS管的栅极连接至脉冲输出端，并通过所述脉冲输出端输出的脉冲信号实现导通或者截止。
[0080] 上述实施例具有如下有益效果：
[0081] 1、具有自升压功能，无需外接工作电源，仅需低压供电电源即可。
[0082] 2、节能环保，采用储能电感代替一般的电路中的电阻与压电陶瓷配合工作，通过储能电感的储能能力进行能量回收，有节能的功效。
[0083] 综上所述，通过实施本发明，能够利用标准供电低压电源自升压驱动压电陶瓷，并能有效降低功耗，节能环保。
[0084] 本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
