一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路

摘要

一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，它包括：DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、压分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；本发明所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。

权利要求

1.一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，其特征在于：它包括：DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放大电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放大电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；

该DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路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(102)，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(103)，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功率放大电路Ⅰ(104)进行功率放大，峰值输出电流能达5A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1(106)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(107)，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(108)，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功率放大电路Ⅱ(109)进行功率放大，峰值输出电流能达5A，放大后的信号Vd2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号Vd2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号Vd1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号Vd2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；

该电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值If，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号IfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样,DSP获得充放电电流If后能根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压Vd1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压Vd2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压Uf，该电压信号调理电路(117)对采集压电陶瓷两端的电压Uf进行处理，经过处理后的压电陶瓷电压信号UfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压Uf后,能根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

所述的DSPIC30F5013控制电路(101)由DSPIC30F5013高性能数字信号控制器及其外围电路组成，功能是通过两路SPI串行通讯接口调节MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的门极驱动电压，从而实现压电陶瓷充放电电流的控制；

所述的光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)结构相同，都是由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)，功能是将SPI串行通讯的数字信号通过光电耦合的方式进行隔离，实现低压端和高压端数字信号的隔离传输，最终实现高压端MOSFET功率管T1和T2的恒流驱动；

所述的高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)和高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)结构相同，都采用DAC8560转换电路，DAC8560是一款低功耗、电压输出、单通道、16位、3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30MHz，能实现DA输出电压的快速设置，功能是将光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号Vin1和Vin2输出；

所述的OPA548功率放大电路Ⅰ(104)和OPA548功率放大电路Ⅱ(109)结构相同，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)，功能是组成功率放大电路将输入的模拟电压信号Vin1和Vin2放大转换成Vd1和Vd2，实现电压和驱动电流的放大，再连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)；

所述的MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)采用FDA38N30 N沟道MOSFET,最高耐压值为300V，最大输出电流为38A，能满足压电陶瓷工作电压和驱动电流的需求；

所述的压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压能根据压电陶瓷的工作电压而定；

所述的压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压为‑

24V～‑30V；

所述的电流传感器(112)采用ACS712霍尔电流传感器集成电路，功能是串联在压电陶瓷充放电电路中采集充放电电流；

所述的压电陶瓷(113)为叠堆压电陶瓷，功能是利用压电效应将施加在压电陶瓷两端的电压变换成压电陶瓷的位移；

所述的电流信号调理电路(116)由运放、电阻和电容组成，功能是将电流传感器(112)反馈的电流信号If进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD1输入端口进行数字转换；

所述的电压信号调理电路(117)由运放、电阻和电容组成，功能是将分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)反馈的电压信号Uf进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD2输入端口进行数字转换。

说明书

一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路

技术领域

[0001] 本发明提供一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，特别是一种用于驱动压电陶瓷微位移器的高压高精度恒流驱动电路，属于特种电源技术领域。

背景技术

[0002] 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、体积小、响应快、推力大等优点，广泛应用于微位移输出装置、阀控制、力发生装置、机器人、冲击电机、光学扫描等重要领域。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。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。

[0003] 压电陶瓷可近似等效为电容，因此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、电压可控制好，且电路结构简单，稳定性好。但是，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。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。

发明内容

[0004] 1、发明目的：针对具有高机械性能、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动态响应速度慢等问题，本发明基于DSP数字处理、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，提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，不仅可以输出十几安培的大电流，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伏甚至上千伏，同时通过电流和电压数字闭环反馈调节还实现了压电陶瓷充放电电流和电压的高精度控制。

[0005] 所述的“MOSFET”，是指：金属‑氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor,MOSFET)；

[0006] 2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

[0007] 基于上述目的，本发明提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，包括：DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管22(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、压分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；

[0008] 所述的“DSPIC30F5013”，是指：数字处理控制器集成电路的型号，是一种16位的单片机控制器；

[0009] 所述的“DA”，是指：数字信号(Digital)转换成模拟信号(Analog)，简写为DA；

[0010] 所述的“OPA548”，是指：一种集成功率放大器的型号；

[0011] 所述的“+VCC”，是指：输出电压为正的供电电源；

[0012] 所述的“VEE”，是指：输出电压为负的供电电源；

[0013] 它们之间的位置关系是：DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路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(102)，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(103)，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(104)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1(106)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(107)，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(108)，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(109)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号Vd2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号Vd1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；
当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号Vd2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；

[0014] 所述的“SPI”，是指：串行外设接口(Serial Peripheral Interface)，是由摩托罗拉(Motorola)公司开发的全双工同步串行总线；

[0015] 该电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值If，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号IfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样,DSP获得充放电电流If后可以根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压Vd1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压Vd2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压Uf，该电压信号调理电路(117)，经过处理后的压电陶瓷电压信号UfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压Uf后,可以根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

[0016] 所述的“AD”，是指：模拟信号(Analog)转换成数字信号(Digital)，简写为AD；

[0017] 所述的“DSP”，是指：数字信号处理，是英文Digital Signal Processing的缩写；

[0018] 所述的“AD1”，是指：DSPIC30F5013控制器的一个AD转换输入端口；

[0019] 所述的“AD2”，是指：DSPIC30F5013控制器的另一个AD转换输入端口；

[0020] 所述的DSPIC30F5013控制电路(101)主要由MICROCHIP公司的DSPIC30F5013高性能数字信号控制器及其外围电路组成，主要功能是通过两路SPI串行通讯接口调节MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的门极驱动电压，从而实现压电陶瓷充放电电流的控制；

[0021] 所述的“MICROCHIP公司”，是指：美国微芯科技公司，该公司成立于1989年，美国上市公司，是全球领先的单片机和模拟半导体供应商；

[0022] 所述的光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)结构相同，都是由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)，功能是将SPI串行通讯的数字信号通过光电耦合的方式进行隔离，实现低压端和端数字信号的隔离传输，最终实现高压端MOSFET功率管T1和T2的恒流驱动；

[0023] 所述的“6N137”，是指：一种光电隔离集成电路的型号；

[0024] 所述的高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)和高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)结构相同，都采用DAC8560转换电路，DAC8560是一款低功耗、电压输出、单通道，16位、3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30MHz，可以实现DA输出电压的快速设置，主要功能是将光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号Vin1和Vin2输出；

[0025] 所述的“DAC8560”，是指：一种SPI串行通讯集成电路的型号，DAC8560是一款低功耗、电压输出、单通道，16位、3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30MHz的集成电路；

[0026] 所述的OPA548功率放大电路Ⅰ(104)和OPA548功率放大电路Ⅱ(109)结构相同，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)，主要功能是组成功率放大电路将输入的模拟电压信号Vin1和Vin2放大转换成Vd1和Vd2，实现电压和驱动电流的放大，再连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)；

[0027] 所述的MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)采用FAIRCHILD公司的FDA38N30N沟道MOSFET,最高耐压值为300V，最大输出电流为38A，可以满足压电陶瓷工作电压(一般小于200V)和驱动电流(一般小于20A)的需求；

[0028] 所述的“FAIRCHILD公司”，是指：美国仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)，曾经是世界上最大、最富创新精神和最令人振奋的半导体生产企业；

[0029] 所述的压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压可以根据压电陶瓷的工作电压而定，比如压电陶瓷的工作电压为+150V，则充电驱动电源可选择高30‑50V的直流电源，比如+200V；

[0030] 所述的“AC/DC开关电源”，是指：是开关电源的其中一类，AC是交流，DC是直流，该类电源就是将交流电压变换成直流电压输出；

[0031] 所述的压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压一般为‑24V～‑30V；

[0032] 所述的霍尔电流传感器(112)采用ALLEGRO公司的型号为ACS712霍尔电流传感器集成电路，主要功能是串联在压电陶瓷充放电电路中采集充放电电流；

[0033] 所述的“ALLEGRO公司”，是指：美国的急速微公司，该公司是一家领先的电源集成电路供应商；

[0034] 所述的“ACS712”，是指：一种开环的电流霍尔传感器集成电路的型号，用来实现电流的隔离采样；

[0035] 所述的压电陶瓷(113)为叠堆压电陶瓷，主要功能是利用压电效应将施加在压电陶瓷两端的电压变换成压电陶瓷的位移；

[0036] 所述的电流信号调理电路(116)主要由运放、电阻和电容组成，主要功能是将霍尔电流传感器(112)反馈的电流信号If进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD1输入端口进行数字转换；

[0037] 所述的电压信号调理电路(117)主要由运放、电阻和电容组成，主要功能是将分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)反馈的电压信号Uf进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD2输入端口进行数字转换；

[0038] 上面所述的运放、电阻、电容均选用通用型电阻、电容。

[0039] 3、优点及功效：

[0040] (1)本发明基于MOSFET的转移特性曲线和恒流放大特性，采用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，设计了高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，可以实现十几安培的恒流大电流输出，大大提高了压电陶瓷控制的动态响应特性；

[0041] (2)本发明提供的高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，可以根据压电陶瓷的驱动电压选择响应的MOSFET，从而实现几百伏甚至上千伏的驱动电压；

[0042] (3)本发明采用高速SPI串行DA转换电路，通讯速率可达30M，数模转换设定时间为10us，因此可以实现us级动态充放电电流，为压电陶瓷充放电过程中实时调节充放电电流提供了条件，在一个充放电过程中可以根据实际控制需求设定多段不同的充放电电流，大大提高了压电陶瓷电压控制的灵活性；

[0043] (4)本发明根据MOSFET的转移特性曲线，当压电陶瓷的充放电电压达到设定值时，将MOSFET功率管的驱动电压设置为零，从而完全关断MOSFET的电流，达到减小恒流驱动电路静态功耗的目的；

[0044] (5)本发明所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。

附图说明

[0045] 图1为本发明高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路的工作示意图。

[0046] 图2为本发明光电隔离电路示意图。

[0047] 图3为本发明OPA548功率放大电路示意图。

[0048] 图4为本发明采用的MOSFET功率管的转移特性曲线示意图。

[0049] 图5为本发明不同恒流驱动下压电陶瓷的充放电电流和电压示意图。

[0050] 图中序号代号符号说明如下：

[0051] 101为DSPIC30F5013控制电路；

[0052] 102为光电隔离电路Ⅰ；

[0053] 103为高速高精度DA转换电路Ⅰ；

[0054] 104为OPA548功率放电路Ⅰ；

[0055] 105为压电陶瓷充电驱动电源+VCC；

[0056] 106为MOSFET功率管T1；

[0057] 107为光电隔离电路Ⅱ；

[0058] 108为高速高精度DA转换电路Ⅱ；

[0059] 109为OPA548功率放电路Ⅱ；

[0060] 110为MOSFET功率管T2；

[0061] 111为压电陶瓷放电驱动电源‑VEE；

[0062] 112为电流传感器；

[0063] 113为压电陶瓷；

[0064] 114为分压电阻R1；

[0065] 115为取样电阻R2；

[0066] 116为电流信号调理电路；

[0067] 117为电压信号调理电路；

[0068] 201为光电隔离集成电路6N137；

[0069] 202为光电隔离限流电阻R1；

[0070] 203为光电隔离输出晶体管的上拉电阻R4；

[0071] 204为晶体管Q1的上拉电阻R5；

[0072] 205为放大晶体管Q1；

[0073] 301为集成功率放大器OPA548；

[0074] 302为输入电阻R6；

[0075] 303为比例放大电阻R7；

[0076] 304为反馈电阻R8；

[0077] 305为使能电阻R9；

[0078] 上述电阻、电容均选用通用型电阻、电容。

具体实施方式

[0079] 本发明提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，其具体实施方式是：

[0080] 所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路包括：

[0081] 参见图1所示，DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、压分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；它们之间的位置关系是：DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路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(102)，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(103)，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(104)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1(106)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(107)，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(108)，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(109)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号Vd2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号Vd1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号Vd2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值If，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号IfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样，DSP获得充放电电流If后可以根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压Vd1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压Vd2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压Uf，该电压信号调理电路(117)，经过处理后的压电陶瓷电压信号UfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压Uf后,可以根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

[0082] 参见图2所示，所述的光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)结构相同，都是由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)，功能是将SPI串行通讯的数字信号通过光电耦合的方式进行隔离，实现低压端和端数字信号的隔离传输，最终实现高压端MOSFET功率管T1和T2的恒流驱动；

[0083] 参见图3所示，所述的OPA548功率放大电路Ⅰ(104)和OPA548功率放大电路Ⅱ(109)结构相同，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)，主要功能是组成功率放大电路将输入的模拟电压信号Vin1和Vin2放大转换成Vd1和Vd2，实现电压和驱动电流的放大，峰值输出电流可达5A，Vd1和Vd2再分别连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)实现压电陶瓷充放电电流控制；

[0084] 参见图4所示，为本发明中所述的MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的转移特性曲线示意图，MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)均采用N沟道MOSFET FDA38N30；FDA38N30功率管的门限电压约为+4V左右，门极驱动电压VGS(即Vd1和Vd2)从+4V～+6V变化时，MOSFET功率管的漏极电流ID从0～13A以近似线性变化，且VGS与ID具有一一对应的关系；因此，通过控制MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的门极驱动电压Vd1和Vd2，就可以实现压电陶瓷充放电电流调节；

[0085] 参见图5所示，为本发明中采用不同充电电流和放电电流对压电陶瓷进行充电和放电时获得压电陶瓷电压的变化曲线示意图，在充电阶段分别采用电流值IC2和IC2对压电陶瓷(113)进行充电，IC2＞IC1，因此充电后期电压上升速率增加；在放电阶段采用电流值ID1对压电陶瓷(113)进行放电，电压线性降低；

[0086] 所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路可以实现十几安培的恒流大电流输出，大大提高了压电陶瓷控制的动态响应特性；

[0087] 所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路可以根据压电陶瓷的驱动电压选择响应的MOSFET，从而实现几百伏甚至上千伏的驱动电压；

[0088] 所述的高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路采用高速SPI串行DA转换电路，可以实现us级动态充放电电流调节，在一个充放电过程中可以根据实际控制需求设定多段不同的充放电电流，大大提高了压电陶瓷电压控制的灵活性；

[0089] 所述的压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路通过将MOSFET功率管的驱动电压设置为零，从而完全关断MOSFET的电流，达到减小恒流驱动电路静态功耗的目的；

[0090] 本发明针对具有高机械性能、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动态响应速度慢等问题，基于DSP数字处理、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，提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，可以实现十几安培的恒流大电流输出，大大提高了压电陶瓷控制的动态响应特性；可以根据压电陶瓷的驱动电压选择响应的MOSFET，从而实现几百伏甚至上千伏的驱动电压；采用高速SPI串行DA转换电路，可以实现us级动态充放电电流调节，在一个充放电过程中可以根据实际控制需求设定多段不同的充放电电流，大大提高了压电陶瓷电压控制的灵活性；通过将MOSFET功率管的驱动电压设置为零，从而完全关断MOSFET的电流，达到减小恒流驱动电路静态功耗的目的。

[0091] 就本发明而言，包括DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、压分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；

[0092] DSPIC30F5013控制电路(101)主要由MICROCHIP公司的DSPIC30F5013高性能数字信号控制器及其外围电路组成。DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路SPI串行通讯Ⅰ信号和SPI串行通讯Ⅱ信号，分别连接至光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)；

[0093] DSPIC30F5013控制电路(101)输出的SPI串行通讯Ⅰ信号连接至光电隔离电路Ⅰ(102)，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(103)，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(104)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1(106)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(107)，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(108)，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(109)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号Vd2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号Vd1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号Vd2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；

[0094] 电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值If，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号IfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样,DSP获得充放电电流If后可以根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压Vd1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压Vd2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压Uf，该电压信号调理电路(117)，经过处理后的压电陶瓷电压信号UfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压Uf后,可以根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

[0095] 光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)结构相同，都是由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)，将SPI串行通讯的数字信号通过光电耦合的方式进行隔离，实现低压端和端数字信号的隔离传输，最终实现高压端MOSFET功率管T1和T2的恒流驱动；

[0096] 高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)和高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)结构相同，都采用BB公司的DAC8560转换电路，将光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号Vin1和Vin2输出；

[0097] OPA548功率放大电路Ⅰ(104)和OPA548功率放大电路Ⅱ(109)结构相同，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)，将输入的模拟电压信号Vin1和Vin2放大转换成Vd1和Vd2，实现电压和驱动电流的放大，再连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)对压电陶瓷的充放电电流进行控制；

[0098] MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)采用FAIRCHILD公司的FDA38N30 N沟道MOSFET，实现压电陶瓷的充放电电流控制；

[0099] 压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)采用通用AC/DC开关电源，为压电陶瓷提供充电电流；

[0100] 压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)采用通用AC/DC开关电源，为压电陶瓷提供放电电流；

[0101] 霍尔电流传感器(112)采用ALLEGRO公司的ACS712霍尔电流传感器集成电路，串联在压电陶瓷充放电电路中采集充放电电流；

[0102] 压电陶瓷(113)为叠堆压电陶瓷，利用压电效应将施加在压电陶瓷两端的电压变换成压电陶瓷的位移；

[0103] 电流信号调理电路(116)主要由运放、电阻和电容组成，将霍尔电流传感器(112)反馈的电流信号If进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD1输入端口进行数字转换；

[0104] 电压信号调理电路(117)主要由运放、电阻和电容组成，将分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)反馈的电压信号Uf进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD2输入端口进行数字转换。

[0105] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0106] 图1是高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，包括DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、压分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；

[0107] 参考图1，DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路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(102)，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(103)，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(104)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd1再连接至MOSFET功率管T1(106)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(107)，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(108)，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(109)进行功率放大，峰值输出电流可达5A，放大后的信号Vd2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号Vd2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号Vd1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号Vd1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号Vd2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源‑VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号Vd2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；

[0108] 电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值If，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号IfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样,DSP获得充放电电流If后可以根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压Vd1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压Vd2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压Uf，该电压信号调理电路(117)，经过处理后的压电陶瓷电压信号UfAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压Uf后,可以根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

[0109] 图2是光电隔离电路，由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现三路SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)；

[0110] 参考图2，SPI串行通讯的数字信号SIN1为高电平时，通过限流电阻R1(202)后驱动光电隔离集成电路6N137(201)内部的发光二极管发光，使其内部的光敏三极管导通，将其输出引脚VOUT置位低电平，再通过上拉电阻R4(203)、上拉电阻R5(204)和晶体管Q1(205)实现输出电平反向，输出隔离后的SPI串行通讯信号SOUT1；从而实现低压端和高压端SPI串行通讯的数字信号的隔离；

[0111] 图3是OPA548功率放大电路，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)；

[0112] 参考图3，高速高精度DA转换电路输出的模拟电压信号Vin1和Vin2输入OPA548功率放大电路的同相输入端，R6(302)为同相输入电阻，R7(303)为比例放大电阻，R8(304)为反馈电阻，构成功率放大电路的放大环节，将输入电压信号Vin1和Vin2按比例放大成Vd1和Vd2，并且输出电流大大增大，峰值输出电流可达5A，Vd1和Vd2再分别连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)实现压电陶瓷充放电电流控制；

[0113] 图4是MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的转移特性曲线示意图；

[0114] 参考图4，MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)均采用N沟道MOSFET FDA38N30，该MOSFET功率管的门限电压约为+4V左右，当门极驱动电压VGS(即Vd1和Vd2)从+4V～+6V变化时，MOSFET功率管的漏极电流ID从0～13A以近似线性变化，且VGS与ID具有一一对应的关系；因此，通过控制MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的门极驱动电压Vd1和Vd2，就可以实现压电陶瓷充放电电流调节；

[0115] 图5是采用不同充电电流和放电电流对压电陶瓷进行充电和放电时获得压电陶瓷电压的变化曲线；

[0116] 参考图5，在充电阶段分别采用电流值IC2和IC2对压电陶瓷(113)进行充电，IC2＞IC1，因此充电后期电压上升速率增加；在放电阶段采用电流值ID1对压电陶瓷(113)进行放电，电压线性降低。

[0117] 本发明提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路；基于DSP数字处理、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，提供了一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，可以实现十几安培的恒流大电流输出，大大提高了压电陶瓷控制的动态响应特性；可以根据压电陶瓷的驱动电压选择响应的MOSFET，从而实现几百伏甚至上千伏的驱动电压；采用高速SPI串行DA转换电路，可以实现us级动态充放电电流调节，在一个充放电过程中可以根据实际控制需求设定多段不同的充放电电流，大大提高了压电陶瓷电压控制的灵活性；通过将MOSFET功率管的驱动电压设置为零，从而完全关断MOSFET的电流，达到减小恒流驱动电路静态功耗的目的。

[0118] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。