CN113162424B - 一种压电陶瓷致动器驱动方法及驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压电陶瓷致动器的电路控制技术领域，具体涉及一种压电陶瓷致动器驱动方法及驱动电路，根据对输入控制信号放大得到预放大控制信号V1；对V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，V2为变压器T1在输入电压Vp作用下放能后所输出电压V0'经过电阻分压后所获得的信号；采用PWM控制芯片基于V4以及反馈电压V5计算出具有特定占空比的PWM波，一级线圈在该PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，放能时输出电压V0'，V5为一级线圈在Vp作用下所产生电流流过采样电阻后的电压；采用V5和V4的加和共同控制对电压V0'的卸荷动作，直至电压V0'达到目标电压。本发明方法在卸荷动作和升压控制的不断调整中，能够有效提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷致动器的电路控制技术领域，更具体地，涉及一种压电陶瓷致动器驱动方法及驱动电路。
背景技术
压电陶瓷致动器是近年发展起来的新型微位移器件，具有体积小、推力大、精度及位移分辨率高、频响快等特点，它在使用中无噪声、不发热，是一种理想的微位移器，已在航空航天、微电子、精密测量、生物工程、机器人及精密加工等领域得到广泛应用。其基于逆压电效应的应用已经比较广泛，但根据具体的应用场景(比如减振系统中的速度反馈控制)，其驱动电压通常需要较高精度和较大范围(0V～1000V)。
林伟等人在压电陶瓷致动器驱动电源的研究一文中提出，经过近些年的发展，压电陶瓷致动器的驱动电路一般可分为电压控制型和电荷控制型。电压控制型是一种基于DC-DC变换原理的开关电源，具有体积小、效率高的优点，但通常电源输出波纹大、频响范围窄。电荷控制型则是基于对电容器充电的直流放大型电路，具有频响范围宽的优点，但输出精度低，低频特性差。
为了实现既能输出精度较高的控制电压、又能减小输出波纹，有必要设计一种结构简单效率较高且同时兼顾上述需求的压电陶瓷驱动电路。
发明内容
本发明提供一种压电陶瓷致动器驱动方法及驱动电路，用以解决现有压电陶瓷致动器驱动方法不能同时兼顾高精度和低波纹电压输出的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种压电陶瓷致动器驱动方法，包括：
根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；
对所述预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，并采用PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出具有特定占空比和频率的PWM波，使得变压器T1的一级线圈在该PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，其中，放能时输出电压V0'，所述反馈信号V2为电压V0'经过电阻分压后所获得的采样信号；所述反馈电压V5为所述一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；
采用所述反馈电压V5和所述电压控制信号V4的加和来共同控制对电压V0'的卸荷动作，直至电压V0'达到目标电压V0，以驱动压电陶瓷致动器。
本发明的有益效果是：首先对控制信号Vc进行放大得到预放大控制信号V1。然后V1与输出电压反馈信号V2加和经过放大得到电压控制信号V4。进一步经过PWM控制芯片对V4和V5的计算得出所需占空比的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能。与此同时，根据V4和V5的大小控制卸荷开启和关断，进而实现对输出电压V0'的精确控制。由于上述方法能够快速对来自输出电压V0'的反馈信号进行处理得到电压控制信号V4，以及卸荷动作能够根据V5和V4实现及时的关断和打开，所以输出电压V0'有着较高的控制精度和较小的波纹，因此，本发明方法在卸荷动作和升压控制的不断调整中，能够有效的提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。
本发明还提供一种压电陶瓷致动器驱动电路，包括：控制信号预放大模块，升压控制模块，升压模块，卸荷控制模块，以及卸荷模块；
所述控制信号预放大模块用于根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；
所述升压控制模块用于对所述预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，所述反馈信号V2为升压模块所输出电压V0'经过电阻分压后所获得的信号；
所述升压模块包括PWM控制芯片和变压器T1，其中PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出具有特定占空比和频率的PWM波，所述一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，放能时输出所述电压V0'，所述反馈电压V5为所述一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；
所述卸荷控制模块用于在反馈电压V5和电压控制信号V4的共同作用下诱导所述卸荷模块开启或关闭，所述卸荷模块开启时对电压V0'进行卸荷、关断时停止对电压V0'卸荷。
本发明的有益效果是：首先控制信号Vc进入控制信号预放大模块经过U1后得到预放大控制信号V1。然后V1与输出电压反馈信号V2加和后进入升压控制模块，经过U4得到电压控制信号V4。进一步在升压模块中，经过PWM控制器对V4和V5的计算得出所需占空比的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能。与此同时，根据V4和V5的大小控制卸荷模块的开启和关断，进而实现对输出电压V0'的精确控制。由于升压控制模块能够快速对来自输出电压V0'的反馈信号进行处理，以及卸荷模块能够根据V5和V4及时的关断和打开，所以输出电压V0'有着较高的控制精度和较小的波纹，因此，本发明方案在卸荷模块和升压控制模块的不断调整中，能够有效的提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述升压控制模块包括：运算放大器U4、电阻R26、电阻R28和电容C9；其中，C9和R28串联后和R26并联作为运算放大器U4的负反馈回路；所述反馈信号V2、预放大控制信号V1和偏置电压Vcc-加和构成信号V3，V3经过运算放大器U4放大并输出电压控制信号V4。
本发明的进一步有益效果是：由运算放大器U4和外围电路R26、R28、R32和C9所构成的电路具有低频增益大、高频增益快速衰减的特点，因此在能够进行低频放大的同时减小高频噪音对后面环路的影响，提高系统的稳定性。
进一步，所述升压模块包括：PWM控制芯片U2，MOS管Q1，变压器T1，二极管D1、D3，电容C3、C5、C7、C8，以及电阻R4、R5、R6、R13；其中，R5两端分别连接U2的RT/CT与VREF两端，C3两端分别连接U2的RT/CT与VFB两端，通过配置R5与C3值的大小控制PWM波的输出频率；MOS管Q1的栅极与U2的OUTPUT引脚相连接，漏极与所述一级线圈的输出端和电容C5相连，源极分别与采样电阻R6、U2的ISENSE引脚以及所述卸荷控制模块的输入端连接；R4与D1并联，且D1的正极与C5连接，D1的负极和所述一级线圈的输入端连接，R4、D1和C5构成一级线圈的续流回路；电阻R13和电容C8串联后与二极管D3并联；D3的负极与C8、C7连接，D3的正极与二级线圈连接，其中R13和C8构成了尖峰吸收电路，用于保护二极管D3；C7的另一端与二级线圈的两外一端连接；所述MOS管Q1在所述PWM波的控制下不断导通和关断，从而控制一级线圈在输入电压Vp的作用下进行蓄能或放能。
本发明的进一步有益效果是：MOS管Q1在PWM波的控制下不断导通和关断，Q1导通时，T1一级线圈在输入电压Vp的作用下产生大电流，此时T2二级线圈所连接的二极管D3处于反向截止状态。Q1关断时在续流回路的作用下一级线圈中的电流快速减小，从而在一级线圈两端产生高压差，此时T2二级线圈所连接的二极管D3处于正向导通状态，然后，根据变压器匝数比的关系电压再次提升后进入二级线圈并暂时存储在大电容C7中。因此，本发明方案能够通过对PWM波占空比的控制，进而控制一级线圈中的最大电流，进而控制一级线圈中电压的升压倍数。
进一步，所述PWM波控制芯片为TL3843B。
本发明的进一步有益效果是：TL3843B所需外部元件数量少，启动电流低(小于0.5mA)，最高输出频率可达500KHz，且输出能力强，适合本发明的需求。
进一步，所述卸荷控制模块包括：运算放大器U3，电容C6，以及电阻R7、R8、R9、R14、R11、R17；其中，运算放大器U3的IN+端分别于所述MOS管Q1源极以及电阻R7、R8、R11的一端连接，R11的另一端和Vcc+连接，R8的另一端和Vcc-连接，电容C6和R14并联后接入U3的负反馈回路，R9分别于U3的IN-、R14和C6连接，保证反馈电压V5从U3的IN+输入后同相放大。
进一步，所述卸荷模块包括：三极管Q3，稳压二极管D5、D6，MOS管Q5、Q6，以及电阻R16、R18和R20，其中，Q3的发射极接地，Q3的集电极与R20一端、D6负极和Q6栅极连接，R20另一端接偏置电压Vcc+，R16和R18串联后和升压模块中的C7、D3和C8连接，同时与Q5漏极连接，Q5漏极还与D3的负极连接，D5的负极分别与MOS管Q5的栅极、R16、R18连接，D5的正极分别与Q5的源极和Q6的漏极连接，D6的正极和Q6的源极连接并接地，三极管Q3的输入电压为V5经过卸荷控制模块放大后的信号与V4的加和；
当Q3关断时偏置电压Vcc+施加于MOS管Q6上以提供栅极控制电压，诱导MOS管Q6导通，MOS管Q5的栅极控制电压由稳压二极管D5提供，在MOS管Q6导通时D5中通过电流，D5两端形成电压差，MOS管Q5导通，MOS管Q5和Q6共同对所述电压V0'卸荷；当Q3开启时偏置电压Vcc+停止向MOS管Q6上施加栅极控制电压，MOS管Q6关断，MOS管Q5和Q6停止对所述电压V0'卸荷。
本发明的进一步有益效果是：通过配置电阻R11、R7和R8的阻值使得D7中反向流过小电流从而在D7的正极保持略微低于0V的电压。V5经过运算放大器的同相放大作用到三极管Q3，控制电压Vc增大后V4增大，此时V4对于Q3的控制起到主要作用，Q3基极电流增大卸荷模块关闭，输出电压迅速增加。Vc减小后，V5迅速降低，经过U3放大后，此时V5对于Q3的控制起到主要作用，Q3基极电流减小卸荷模块打开。本方案在提高了电压V0控制精度的同时，减小了输出波纹。另外，结合MOS管Q5和Q6的导通阻抗特性，合理配置电阻R16、R18、R20以及二极管D5和D6，使得Q5和Q6在导通时有较大的导通阻抗，从而达到快速卸荷的目的。输出电压V0在卸荷模块的作用下能大大减小输出波纹(因为负载压电陶瓷致动器具有容抗特性，几乎不消耗能量，所以若要快速降低输出电压必须通过该卸荷模块进行能量消耗)。
进一步，所述卸荷模块还包括三极管Q4以及电阻R23、R24，其中，Q4的发射极接地，Q4的集电极与Q3的集电极连接，电阻R23和R24串联后一端接地、另一端与D6的正极连接，R23和R24同时与Q4的基极连接。
本发明的进一步有益效果是：当Q3被关闭，MOS管Q5、Q6处于打开状态时，采样电阻R25中的电压经过R24和R23的分压用来控制Q4的基极电流。当经过R25中的电流增大时，经过Q4的基极电流增大，此时MOS管Q5、Q6被暂时关闭，因此经过R25的电流减小，经过Q4的基极电流减小，此时MOS管Q5、Q6暂时开启。卸荷模块不断的开启和关闭一方面可以避免卸荷模块中的持续电流过大导致卸荷模块被烧毁，另一方面可以保持卸荷模块的温度处于稳定的状态，避免因温度剧烈变换而引起的性能改变。
进一步，所述驱动电路还包括短路保护模块，其包括：三极管Q2，二极管D2，电阻R12，以及R15；其中，Q2的集电极与R10和U2的ISENSE连接，Q2的射极与R12和D2的负极连接，Q2的基极分别与D2的正极和R15连接，R15的另外一端与卸荷模块中Q5的漏极以及升压模块中的D3负极连接，其中D2的作用是保护Q2防止被高压击穿。
本发明的进一步有益效果是：U2能够正常输出的前提条件是0V<V5<1V，当输出电压V0被意外和地短路时，Q2的基极电压低于Vcc+，此时Q2的基极有电流流过，Q2的集射极导通，V5>1V，U2停止输出PWM波，升压模块被关闭，不再有高压输出。当意外短路情况发生时，该短路保护模块能够起到有效的保护作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种压电陶瓷致动器驱动方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的一种压电陶瓷致动器驱动电路框图；
图3为本发明实施例提供的一种压电陶瓷致动器驱动电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种压电陶瓷致动器驱动电路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种压电陶瓷致动器驱动方法100，如图1所示，包括：
步骤110、根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；
步骤120、对预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，其中，反馈信号V2为变压器T1在输入电压Vp作用下放能后所输出电压V0'经过电阻分压后所获得的信号；
步骤130、采用PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出具有特定占空比和频率的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，放能时输出电压V0'，反馈电压V5为一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；
步骤140、采用反馈电压V5和电压控制信号V4的加和来共同控制对电压V0'的卸荷动作，直至电压V0'达到目标电压V0，以驱动压电陶瓷致动器。
上述PWM波为PWM控制芯片经过对电压控制信号V4和反馈电压V5进行计算后所输出的具有特定占空比和频率的方波。
本实施例可根据需求采用低压Vp(12V、24V、48V)供电，在控制信号Vc的作用下通过固定的放大增益输出高压V0(0V～1000V)，以满足压电陶瓷致动器的驱动需求。
具体的，首先对控制信号Vc进行放大得到预放大控制信号V1。然后V1与输出电压反馈信号V2加和经过放大得到电压控制信号V4。进一步经过PWM控制芯片对V4和V5的计算得出所需占空比的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能。与此同时，根据V4和V5的大小控制卸荷开启和关断，进而实现对输出电压V0'的精确控制。由于上述方法能够快速对来自输出电压V0'的反馈信号进行处理得到电压控制信号V4，以及卸荷动作能够根据V5和V4实现及时的关断和打开，所以输出电压V0'有着较高的控制精度和较小的波纹，因此，本发明方法在卸荷动作和升压控制的不断调整中，能够有效的提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。
实施例二
一种压电陶瓷致动器驱动电路，如图2所示，包括：控制信号预放大模块，升压控制模块，升压模块，卸荷控制模块，以及卸荷模块。控制信号预放大模块用于根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；升压控制模块用于对预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，反馈信号V2为升压模块所输出电压V0'经过电阻分压后所获得的信号；升压模块包括PWM控制芯片和变压器T1，其中PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出具有特定占空比和频率的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，放能时输出电压V0'，反馈电压V5为一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；卸荷控制模块用于在反馈电压V5和电压控制信号V4的共同作用下诱导卸荷模块开启或关闭，卸荷模块开启时对电压V0'进行卸荷、关断时停止对电压V0'卸荷。
本实施例提供的驱动电路可根据需求采用低压Vp(12V、24V、48V)供电，在控制信号Vc的作用下通过固定的放大增益输出高压V0(0V～1000V)，以满足压电陶瓷致动器的驱动需求。其中，若输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数为k，则对输入控制信号进行放大，放大倍数可为：
得到预放大控制信号V1，其中，R30和R29表示图3中电阻R30和R29的阻值。
具体的，对于本实施例提供的电路，首先控制信号Vc进入控制信号预放大模块经过U1后得到预放大控制信号V1。然后V1与输出电压反馈信号V2加和后进入升压控制模块，经过U4得到电压控制信号V4。进一步在升压模块中，经过PWM控制器对V4和V5的计算得出所需占空比的PWM波，一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能。与此同时，根据V4和V5的大小控制卸荷模块的开启和关断，进而实现对输出电压V0'的精确控制。由于升压控制模块能够快速对来自输出电压V0'的反馈信号进行处理，以及卸荷模块能够根据V5和V4及时的关断和打开，所以输出电压V0'有着较高的控制精度和较小的波纹，因此，本发明方案在卸荷模块和升压控制模块的不断调整中，能够有效的提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。
其中，如图3所示，上述各模块的特点在于：
控制信号预放大模块主要由运放U1构成，能够根据所需要的放大增益调整对输入控制信号Vc的放大倍数，同时可根据实际情况对控制信号进行滤波处理，并输出预放大信号V1。
升压控制模块主要由运放U4构成，为一个高放大倍率的运算放大器，在预放大控制信号V1和输出反馈信号V2的共同作用下，输出电压控制信号V4。
升压模块包括了PWM波输出电路和反激式升压电路。PWM波输出电路主要由芯片U2(例如TL3843B)构成，在占空比控制信号V4和变压器T1一级线圈反馈电压V5的共同作用下输出占空比可调的PWM波。反激式升压电路主要由MOS管Q1和变压器T1构成，基于反激式变换器原理，能够在PWM波的控制下将低电压Vp转换为所需的高电压，经过多次反馈调控，最终输出目标电压V0，并将转换后的电能在电容器C7中进行暂时的储存。上述反馈信号V2具体为经过反激升压电路和变压器T1后所输出的电压V0'经过电阻分压后所获得的反馈信号。
卸荷模块主要由MOS管Q5、Q6以及三极管Q3、Q4构成，其作用是当输出电压低于目标值V0时，卸荷模块在卸荷控制模块的作用下处于关闭状态，输出电压快速升高。当输出电压高于控制目标值时，卸荷模块打开，多余的能量通过卸荷模块进行消耗，整个系统通过卸荷模块的打开和关闭提高输出电压的控制精度和响应速度。其中，卸荷控制模块输出较低的用于控制卸荷模块中的MOS管栅极的控制电压，使得Q5和Q6处于较大导通阻抗的状态，从而达到能量消耗的目的。卸荷模块的设计是本实施例方案区别于其他压电驱动电路的重要特征之一。
卸荷控制模块主要由运放U3构成，V5为变压器T1一级线圈中的电流经过采样电阻R6在A点所产生的反馈电压，运算放大器U3对V5起到同相放大的作用。当所需输出电压V0较高时，V4增大，导致PWM波占空比增加，V5因PWM波占空比的增加而增大，该状态下卸荷模块中的Q3基极电压主要受到V5的作用，Q3基极电流增大；当所需输出电压V0较低时，V5因PWM波占空比的减小而减小，该状态下卸荷模块中的Q3基极电压主要受到V4的作用，Q3基极电流减小。
其中，关于上述运算放大器U3对V5的同相放大，这里通过举例说明，通过配置电阻R11、R7和R8的阻值使得D7中反向流过小电流从而在D7的正极保持略微低于0V的电压。当电压V0需要提高时，V5较大，如-0.001V,经过100倍同相放大为，-0.1V，V5对于Q3的控制起到次要作用，在V4的主要作用下Q3被打开。当V0需要降低时，V5较小，如-0.01V，经过100倍同相放大为-1V，对Q3起到决定性作用，Q3被关断。
Q3基极电流对卸荷的控制作用主要为，当基极电流增大，供电电压Vcc+固定，电阻R20上的压降增大，输出控制电压V6降低，导致卸荷关断；当基极电流减小供电电压Vcc+固定，电阻R20上的压降减小，输出控制电压V6增大，导致卸荷开启，从而达到卸荷的目的。卸荷模块中采用了两个MOS管(Q5和Q6)的主要原因是单个MOS管的散热功率不能满足要求，MOS管Q5的栅极控制电压由稳压二极管D5提供，Q6的栅极控制电压由卸荷控制模块提供。当Q6导通时，D5中通过电流，D5两端形成电压差，Q5导通；当Q6关断时，D5中没有电流通过，D5两端没有电压差，Q5关断。因此控制电压V6可以起到同时控制Q5和Q6的作用。
图3所具体示出的一种驱动电路结合了反激式升压电路和卸荷电路的压电陶瓷致动器驱动电路。输入电压经过了共模和差模滤波电路后进入升压模块，升压模块包括了反激升压电路和变压器升压电路。本实施例中反激升压电路能够提供近20倍的电压提升，变压器能够再提供4倍的电压提升。因此本实施例方案在输入电压12V<Vp<48V的直流供电的条件下，能够轻松实现0V到1000V内的升压，并且输出电压的控制精度高，输出波纹小，比较适合作为各种压电陶瓷致动器的驱动电路。
为了更好的描述本实施例的驱动电路，以下对各模块的结构和原理作详细描述：
控制信号预放大模块的主要作用是通过调整运算放大器U1的放大倍数产生需要的输出增益并对控制信号进行低通滤波，输入控制信号Vc经过预放大模块之后，在反馈信号V2和偏置电压Vcc-的共同作用下进入升压控制模块。
升压控制模块包括：运算放大器U4、电阻R26、电阻R28和电容C9；其中，C9和R28串联后和R26并联作为运算放大器U4的负反馈回路；所述反馈信号V2、预放大控制信号V1和偏置电压Vcc-加和构成信号V3，V3经过运算放大器U4并输出电压控制信号V4。U4的闭环特性是在低频时有着较大增益，随着频率的增加，放大倍率逐渐减小。这样的目的主要是使系统在保持低频性能的同时降低高频扰动的影响。
升压模块主要由PWM控制芯片U2、MOS管Q1、变压器T1、二极管D1、D3、电容C3、C5、C7、C8，电阻R4、R5、R6、R13组成。其中R5两端分别连接U2的RT/CT与VREF两端，C3两端分别连接U2的RT/CT与VFB两端，按照U2的使用要求，通过配置R5与C3值的大小，可以控制PWM波的输出频率。MOS管Q1的栅极与U2的OUTPUT引脚相连接，漏极与变压器T1的一级线圈的输出端和电容C5相连，源极分别与采样电阻R6、U2的ISENSE引脚电阻R7、R8、R11和U3的IN+连接。R4与D1并联，且D1的正极与C5连接，D1的负极和T1一级线圈的输入端连接，R4、D1和C5构成一级线圈的续流回路。电阻R13和电容C8串联后与二极管D3并联。D3的负极与C8、C7，以及卸荷模块中的R18、Q5的漏极、R15、R29、C10连接，D3的正极与二级线圈连接，其中R13和C8构成尖峰吸收电路，用于保护二极管D3。C7的另一端与二级线圈的另外一端连接。
升压模块中PWM波输出电路主要基于TL3843B芯片U2，通过配置电容C3和电阻R8使PWM波频率为50KHz，PWM波作用到MOS管Q1的栅极，控制Q1的导通和关断。PWM波的占空比主要受到V5和V4的调节。在V4和V5的共同作用下控制PWM波的占空比。U2输出PWM方波的条件为0V<V5<1V，当出现意外情况导致V0短路时，三极管Q2导通，此时V5远大于1V，U2停止输出PWM波，从而停止输出控制电压V0，因此Q2主要起到短路保护的作用。
其中，电感元件两端电压的计算公式：
式中，L为电感，单位是(H)；u为电感两端的电压，单位是(V)；i为通过电感的电流，单位是(A)；t为时间，单位是(s)。
升压模块中升压电路的主要原理是当电感中的电流发生突变时，电感两端的压差将瞬间增大，此处为了使通过该电感的升压能够达到要求，变压器T1选择了合适的电感值以及50KHz的PWM波频率，并配置了由D1、R4和C5所构成的续流回路。当MOS管Q1处于导通状态时，由于回路中的阻值较小(采样电阻R6的阻值可以忽略不计)，所以变压器T1一级绕组中的电流迅速增加。此时，由于二极管D3的作用，T1二级绕组断路，所以T1的一级绕组一直处于蓄能的状态，T1中并不存在两个绕组之间能量交换的过程。当Q1被关断时，在续流回路的作用下，回路阻抗很大，所以T1一级绕组中的电流迅速减小，di/dt的值迅速反相增大(符号为负)，由上述公式可得到u为一个较大的负值，电压得到第一次大倍率提升。此时，D3在回路中导通，T1中的一二级绕组根据匝数比使电压得到第二次提升，同时对电容C7进行充电。在PWM波的控制下以上过程不断循环进行，从而达到升压的目的。
卸荷控制模块包括：运算放大器U3，电容C6，以及电阻R7、R8、R9、R14、R11、R17；其中，运算放大器U3的IN+端分别于所述MOS管Q1源极以及电阻R7、R8、R11的一端连接，R11的另一端和Vcc+连接，R8的另一端和Vcc-连接，电容C6和R14并联后接入U3的负反馈回路，R9分别于U3的IN-、R14和C6连接，保证反馈电压V5从U3的IN+输入后同相放大。
卸荷模块包括：三极管Q3，稳压二极管D5、D6，MOS管Q5、Q6，以及电阻R16、R18和R20，其中，Q3的发射极接地，Q3的集电极与R20一端、D6负极和Q6栅极连接，R20另一端接偏置电压Vcc+，R16和R18串联后和升压模块中的C7、D3和C8连接，同时与Q5漏极连接，Q5漏极还与D3的负极连接，D5的负极分别与MOS管Q5的栅极、R16、R18连接，D5的正极分别与Q5的源极和Q6的漏极连接，D6的正极和Q6的源极连接并接地，三极管Q3的输入电压为V5经过卸荷控制模块放大后的信号与V4的加和；当Q3关断时偏置电压Vcc+施加于MOS管Q6上以提供栅极控制电压，诱导MOS管Q6导通，MOS管Q5的栅极控制电压由稳压二极管D5提供，在MOS管Q6导通时D5中通过电流，D5两端形成电压差，MOS管Q5导通，MOS管Q5和Q6共同对所述电压V0'卸荷；当Q3开启时偏置电压Vcc+停止向MOS管Q6上施加栅极控制电压，MOS管Q6关断，MOS管Q5和Q6停止对所述电压V0'卸荷。
卸荷模块还包括三极管Q4以及电阻R23、R24，其中，Q4的发射极接地，Q4的集电极与Q3的集电极连接，电阻R23和R24串联后一端接地、另一端与D6的正极连接，R23和R24同时与Q4的基极连接。
卸荷控制模块的主要作用是放大一级线圈反馈信号V5并与升压控制信号V4的共同作用控制卸荷模块的工作和关闭。
卸荷模块的主要作用是提高输出电压的控制精度和减小输出波纹。当输出电压小于控制信号Vc所对应的电压时，在V4的作用下U2输出占空比增加的PWM波，此时V5最大值增大，在卸荷控制模块的作用下使得三极管Q3的基极电流增大，从而导致MOS管Q6的栅极电压降低，进而卸荷关闭，输出电压V0在升压模块的作用下迅速增加。当输出电压大于或者接近控制信号Vc所对应的电压时，在V4的作用下U2输出占空比减小的PWM波，此时V5最大值减小，在卸荷控制模块的作用下使得三极管Q3的基极电流减小，从而导致MOS管Q6的栅极电压增加，从而卸荷打开。卸荷打开后并非处于一直卸荷的状态，而是在采样电阻R25的作用下使得三极管Q4不断地导通和关断，从而使得卸荷动作持续处于一种动态的调整状态，有利于保持MOS管Q5和Q6的工作温度，避免高温损坏并减小因温度变化对MOS管性能的影响。卸荷模块最核心的部分在于MOS管Q5和Q6的导通状态，这里通过电阻R20、稳压二极管D5和D6的选型，使得Q5和Q6的栅极和源极的控制电压差较低，在导通时仍有较大的导通电阻，从而使需要泄放的能量通过Q5和Q6的导通阻抗泄放出去，在正常工作时Q5和Q6会产生较多的热量，必须设计良好的散热条件，另外可以使得Q5和Q6在整个工作周期维持温度平衡，以使之在一稳定特性下工作。
优选的，如图4所示，驱动电路还包括短路保护模块，其包括：三极管Q2，二极管D2，电阻R12，以及R15；其中，Q2的集电极与R10和U2的ISENSE连接，Q2的射极与R12和D2的负极连接，Q2的基极分别与D2的正极和R15连接，R15的另外一端与卸荷模块中Q5的漏极连接，其中D2的作用主要是保护Q2防止被被高压击穿，具体结构可见图3所示。
运算放大器U2能够正常输出的前提条件是0V<V5<1V，当输出电压V0被意外和地短路时，Q2的基极电压低于Vcc+，此时Q2的基极有电流流过，Q2的集射极导通，V5>1V，U2停止输出PWM波，升压模块被关闭，不再有高压输出。当意外短路情况发生时，该短路保护模块能够起到有效的保护作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电陶瓷致动器驱动电路，其特征在于，包括：控制信号预放大模块，升压控制模块，升压模块，卸荷控制模块，以及卸荷模块；
所述控制信号预放大模块用于根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；
所述升压控制模块用于对所述预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，所述反馈信号V2为升压模块所输出电压V0’经过电阻分压后所获得的信号；
所述升压模块包括PWM控制芯片和变压器T1，其中PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出PWM波，变压器T1的一级线圈在PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，放能时输出所述电压V0'，所述反馈电压V5为一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；
所述卸荷控制模块用于在反馈电压V5和电压控制信号V4的共同作用下诱导所述卸荷模块开启或关闭，所述卸荷模块开启时对电压V0'进行卸荷、关断时停止对电压V0'卸荷；
其中，所述卸荷控制模块包括：运算放大器U3，电容C6，以及电阻R7、R8、R9、R14、R11、R17；其中，运算放大器U3的IN+端分别于所述升压模块中的MOS管源极以及电阻R7、R8、R11的一端连接，R11的另一端和Vcc+连接，R8的另一端和Vcc-连接，电容C6和R14并联后接入U3的负反馈回路，R9分别于U3的IN-、R14和C6连接，保证反馈电压V5从U3的IN+输入后同相放大；
所述卸荷模块包括：三极管Q3，稳压二极管D5、D6，MOS管Q5、Q6，以及电阻R16、R18和R20；其中，Q3的发射极接地，Q3的集电极与R20一端、D6负极和Q6栅极连接，R20另一端接偏置电压Vcc+，R16和R18串联后和升压模块连接，同时与Q5漏极连接，Q5漏极还与升压模块连接，D5的负极分别与MOS管Q5的栅极、R16、R18连接，D5的正极分别与Q5的源极和Q6的漏极连接，D6的正极和Q6的源极连接并接地，三极管Q3的输入电压为V5经过卸荷控制模块放大后的信号与V4的加和；
当Q3关断时偏置电压Vcc+施加于MOS管Q6上以提供栅极控制电压，诱导MOS管Q6导通，MOS管Q5的栅极控制电压由稳压二极管D5提供，在MOS管Q6导通时D5中通过电流，D5两端形成电压差，MOS管Q5导通，MOS管Q5和Q6共同对所述电压V0'卸荷；当Q3开启时偏置电压Vcc+停止向MOS管Q6上施加栅极控制电压，MOS管Q6关断，MOS管Q5和Q6停止对所述电压V0'卸荷；
所述卸荷模块还包括三极管Q4以及电阻R23、R24；其中，Q4的发射极接地，Q4的集电极与Q3的集电极连接，电阻R23和R24串联后一端接地、另一端与D6的正极连接，R23和R24同时与Q4的基极连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷致动器驱动电路，其特征在于，所述升压控制模块包括：运算放大器U4、电阻R26、电阻R28和电容C9；
其中，C9和R28串联后和R26并联作为运算放大器U4的负反馈回路；所述反馈信号V2、预放大控制信号V1和偏置电压Vcc-加和构成信号V3，V3经过运算放大器U4放大并输出所述电压控制信号V4。
3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷致动器驱动电路，其特征在于，所述升压模块包括：PWM控制芯片U2，MOS管Q1，变压器T1，二极管D1、D3，电容C3、C5、C7、C8，以及电阻R4、R5、R6、R13；
其中，R5两端分别连接U2的RT/CT与VREF两端，C3两端分别连接U2的RT/CT与VFB两端，通过配置R5与C3值的大小控制PWM波的输出频率；MOS管Q1的栅极与U2的OUTPUT引脚相连接，漏极与所述一级线圈的输出端和电容C5相连，源极分别与采样电阻R6、U2的ISENSE引脚以及所述卸荷控制模块的输入端连接；R4与D1并联，且D1的正极与C5连接，D1的负极和所述一级线圈的输入端连接，R4、D1和C5构成一级线圈的续流回路；电阻R13和电容C8串联后与二极管D3并联；D3的负极与C8、C7连接，D3的正极与二级线圈连接，其中R13和C8构成了尖峰吸收电路，用于保护二极管D3；C7的另一端与二级线圈的另外一端连接；所述MOS管Q1在所述PWM波的控制下不断导通和关断，从而控制一级线圈在输入电压Vp的作用下进行蓄能或放能；
所述卸荷模块中的R16和R18串联后具体和C7、D3、C8连接；所述卸荷模块中的Q5漏极还具体与D3的负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷致动器驱动电路，其特征在于，所述PWM波控制芯片为TL3843B。
5.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷致动器驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括短路保护模块，其包括：三极管Q2，二极管D2，电阻R12、R10和R15；其中，Q2的集电极与R10和U2的ISENSE连接，Q2的射极与R12和D2的负极连接，Q2的基极分别与D2的正极和R15连接，R15的另外一端与卸荷模块中Q5的漏极以及升压模块中的D3负极连接，其中D2的作用是保护Q2防止被高压击穿。
6.一种压电陶瓷致动器驱动方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的一种压电陶瓷致动器驱动电路，执行如下步骤：
根据由输入电压Vp到目标电压V0所需的放大倍数，对输入控制信号进行放大，得到预放大控制信号V1；
对所述预放大控制信号V1和反馈信号V2的加和进行放大得到电压控制信号V4，并采用PWM控制芯片在电压控制信号V4以及反馈电压V5的共同作用下输出具有特定占空比和频率的PWM波，使得变压器T1的一级线圈在该PWM波和变压器电感值的作用下进行蓄能或放能，其中，放能时输出电压V0'，所述反馈信号V2为电压V0'经过电阻分压后所获得的采样信号；所述反馈电压V5为所述一级线圈在输入电压Vp作用下所产生的电流流过采样电阻后的电压；
采用所述反馈电压V5和所述电压控制信号V4的加和来共同控制对电压V0'的卸荷动作，直至电压V0'达到目标电压V0，以驱动压电陶瓷致动器。
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