分析壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)性能及方案設(shè)計(jì)

對(duì)大多數(shù)電氣工程師而言，“電動(dòng)機(jī)”是指電磁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元。當(dāng)需要線性運(yùn)動(dòng)而不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工程師會(huì)考慮添加機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置或者使用線性感應(yīng)馬達(dá)。然而，由于控制、公差、反向間隙等電氣和機(jī)械問題，傳統(tǒng)的電磁馬達(dá)通常不能提供直線運(yùn)動(dòng)所需要的高精確（無論是轉(zhuǎn)子馬達(dá)、線性馬達(dá)，不論是大是?。?。幸運(yùn)的是，目前有了一個(gè)可行的替代方案——壓電馬達(dá)，它廣泛應(yīng)用于需要精確控制的微小直線運(yùn)動(dòng)中。

壓電馬達(dá)概覽

這種迷人的、非常規(guī)的馬達(dá)理論基礎(chǔ)是眾所周知并廣泛應(yīng)用的壓電效應(yīng)。這是一種對(duì)稱的機(jī)電關(guān)系，具有這種效應(yīng)的晶體材料受到機(jī)械應(yīng)力（擠壓）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓；相反的，當(dāng)施加電壓到這種晶體時(shí)，材料會(huì)有很小的膨脹。這種壓電性能在經(jīng)典晶體振蕩器中取得了巨大的成功，這種振蕩器是近100年來時(shí)鐘源的基礎(chǔ)（盡管近年來替代品MEMS基振蕩器勢(shì)頭強(qiáng)勁）。

在壓電馬達(dá)中，通過在材料上施加電壓，產(chǎn)生電場(chǎng)，材料發(fā)生輕微地延伸。對(duì)于典型的電壓，其形變量約為0.01%到0.1％。這些馬達(dá)很小，這也是他們的優(yōu)點(diǎn)之一，每個(gè)典型裝置的尺寸約為10mm。它們所產(chǎn)生的形變是微米量級(jí)的，但是所產(chǎn)生的力卻是牛頓量級(jí)的。通過堆疊多個(gè)壓電晶體，可以實(shí)現(xiàn)更大的承受力和伸長(zhǎng)率。

有兩種使用方式可以實(shí)現(xiàn)物理的伸長(zhǎng)。

第一種

其中一種方式是，壓電材料交替地夾持，然后由一組微小的基于壓電的夾具釋放，從而允許晶體向前移動(dòng)（適當(dāng)?shù)胤Q為蚯蚓模式），如圖1所示。

圖1：只要夾緊和松開時(shí)機(jī)合適，馬達(dá)就可以類似于蚯蚓（1殼，2移動(dòng)晶體，3鎖定晶體，4旋轉(zhuǎn)部件）一樣以微小增量向前移動(dòng)。（資料來源：Laurensva Lieshour / CC BY-SA 3.0）

第二種

或者，可以固定晶體的一端，同時(shí)在另一端施加/移除電壓，就能形成活塞或滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖2）。雖然壓電馬達(dá)主要用于線性運(yùn)動(dòng)，但如果把多個(gè)壓電馬達(dá)排布成圓形的陣列，也可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2：只需把其中一端固定就位，壓電馬達(dá)就能成為一個(gè)精確、高度可控的活塞。（來源：Inductiveload / CC BY 2.5）

壓電式運(yùn)動(dòng)可以應(yīng)用在注入泵，顯微鏡臺(tái)，光學(xué)定位，儀器儀表，噴墨噴嘴等方面。廉價(jià)的低品質(zhì)壓電裝置可應(yīng)用于揚(yáng)聲器，報(bào)警器，甚至是小型擴(kuò)音器等，但是這些用途具僅要求較低的性能。壓電馬達(dá)可以以數(shù)千赫茲的頻率運(yùn)動(dòng)（傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)無法達(dá)到），并且快速，精確，可控。此外，它們沒有軸承，不需要使用可能引起污染的潤(rùn)滑劑，因此整個(gè)系統(tǒng)非常潔凈。它們的非金屬材質(zhì)在許多情況下也是有利的（甚至可能是必需的，比如在核磁共振儀中）。

驅(qū)動(dòng)-大有不同

與電磁馬達(dá)一樣，一個(gè)完整且可用的壓電馬達(dá)組件由三部分組成：電子驅(qū)動(dòng)器，電氣機(jī)械傳感器（馬達(dá)）本身和輸出連桿。本文將專注于電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分。

驅(qū)動(dòng)電磁馬達(dá)時(shí)，需要利用功率半導(dǎo)體器件（MOSFET或IGBT）來控制拉電流和灌電流進(jìn)入電磁線圈。驅(qū)動(dòng)器在正確的時(shí)間以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換速率打開和關(guān)閉功率半導(dǎo)體，以控制電流灌/拉到高感性負(fù)載中。MOSFET或IGBT輸出級(jí)需要施加電壓以控制電流，但為馬達(dá)線圈提供電磁力的其實(shí)是電流。

對(duì)于壓電馬達(dá)，情況是迥異的。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器上需要施加高電壓來提供電場(chǎng)，電流反而是次要因素了。因此，壓電驅(qū)動(dòng)是電磁驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)充。電磁驅(qū)動(dòng)中電流是主體，電壓是附屬，而壓電驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓是主體，電流是附屬。壓電驅(qū)動(dòng)器必須將電壓（而非電流）提供給容性（而非感性）負(fù)載，并且必須控制并調(diào)節(jié)該電壓以控制晶體的伸長(zhǎng)量。換言之，常規(guī)馬達(dá)中電流是獨(dú)立參數(shù)，電壓是受控參數(shù)，但對(duì)于壓電馬達(dá)，情況恰恰相反。

壓電電動(dòng)機(jī)所需的電壓（和電流）取決于壓電元件的尺寸，預(yù)期的伸長(zhǎng)率和運(yùn)動(dòng)速率。在低壓時(shí)，電壓和電流值分別可達(dá)20-30V和10-30mA，但是大多數(shù)更高性能的壓電單元至少需要10V和10到幾百毫安，甚至還有使用1,000V甚至更高電壓的壓電電動(dòng)機(jī)，其電流可達(dá)幾安培。

對(duì)于電氣設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是，需要在中等電流的前提下提供高電壓。此外，壓電驅(qū)動(dòng)器必須在帶有可達(dá)1,000pF (1nF)的高電容負(fù)載時(shí)保持穩(wěn)定。由于壓電器件是浮動(dòng)差分器件，大多數(shù)應(yīng)用需要差分雙極驅(qū)動(dòng)器輸出。

一個(gè)重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

由于這些馬達(dá)在較高的電壓下工作，所以要注意用戶安全，物理隔離和電壓保護(hù)等問題。設(shè)計(jì)需要符合最小爬電距離和間隙尺寸的規(guī)則要求（它們是電壓電平的函數(shù)）。因此，壓電馬達(dá)的設(shè)計(jì)中除了要估計(jì)電氣屬性，還必須關(guān)注布線和環(huán)境條件。還要注意，高電壓和適中的電流并不是壓電器件的特有要求，許多科研級(jí)甚至商業(yè)級(jí)產(chǎn)品都有此類要求，如霓虹燈，特殊真空管，靜電計(jì)和光學(xué)設(shè)備等等。

驅(qū)動(dòng)的選擇

大多數(shù)放大器集成電路都是低電壓器件，而高電壓器件通常會(huì)針對(duì)MOSFET / IGBT所需的驅(qū)動(dòng)電流（而不是電壓）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此開發(fā)和提供壓電驅(qū)動(dòng)器所需高電壓往往是一個(gè)難點(diǎn)。有些專用運(yùn)算放大器（op amps）使用高壓集成電路處理器滿足高電壓強(qiáng)電流的要求以適配壓電驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，或者在輸出端有低壓運(yùn)放結(jié)合升壓晶體管組合的設(shè)計(jì)。

原則上，用高額定電壓的晶體管構(gòu)建基本的高壓驅(qū)動(dòng)器（圖3）是可行的。然而，這種設(shè)計(jì)缺乏精度、可控性和穩(wěn)定性，它還缺乏故障模式的保護(hù)。此外，它不能提供雙極性輸出，其基極電路驅(qū)動(dòng)還需要專門設(shè)計(jì)合適的電路。因此，這種類型的基本設(shè)計(jì)更適合于低端應(yīng)用，如壓電報(bào)警器和發(fā)聲器。

圖3：雖然壓電元件可以由基本晶體管控制，但該設(shè)計(jì)僅僅適用于較為低端的應(yīng)用，例如基于壓電的揚(yáng)聲器。（資料來源：Murata）

幸運(yùn)的是，供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出專門為壓電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的IC（集成電路），簡(jiǎn)化任務(wù)的同時(shí)增加了其它有用的特性和功能，包括高壓波形轉(zhuǎn)換控制。這些IC還提供熱、過載和短路保護(hù)，這些特性在實(shí)際設(shè)計(jì)中是必不可少的。

AD公司產(chǎn)品

例如，AD公司的ADA4700-1是一種高電壓精密放大器，工作電壓范圍較寬（±5至±50V）。雖然這款八引腳SOIC（小外形集成電路封裝）器件看起來像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放，但它經(jīng)過了優(yōu)化，可穩(wěn)定地以高電壓轉(zhuǎn)換速率給容性負(fù)載供電，如圖4所示。它具有多種工作條件（各種電壓，負(fù)載，溫度，失真水平和過沖等），并且提供在不同使用場(chǎng)景下，60余張圖表和數(shù)據(jù)供參考。

圖4：ADA4700-1高壓精密放大器具有精密的壓擺率（電壓轉(zhuǎn)換速率）性能，數(shù)據(jù)手冊(cè)中詳細(xì)介紹了其他屬性。（資料來源：Analog Devices）

ADA4700-1在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)穩(wěn)定且超調(diào)量很小。驅(qū)動(dòng)較大容性負(fù)載時(shí)可提供額外的補(bǔ)償以增強(qiáng)響應(yīng)，不過這需要添加一個(gè)小的緩沖電路，如圖5所示；對(duì)于單位增益應(yīng)用和高達(dá)1nF（1,000pF）的容性負(fù)載，需要150Ω電阻和10nF電容的組合。對(duì)于10nF的更大負(fù)載和更高增益，如十倍，電阻降低到22Ω，而電容增加到100nF。通過添加一對(duì)互補(bǔ)（PNP / NPN）晶體管可以提高驅(qū)動(dòng)電流電平（圖6）。

圖5：為驅(qū)動(dòng)高容性負(fù)載，在ADA4700-1外部添加了一個(gè)簡(jiǎn)單的外部RC緩沖器電路。（資料來源：AD公司）

圖6：如果需要額外的電流輸出，ADA4700-1外部需添加一對(duì)PNP/NPN晶體管（資料來源：AD公司）

TI公司產(chǎn)品

德州儀器公司提供非常適配壓電式負(fù)載的設(shè)備。其集成升壓轉(zhuǎn)換器的DRV8662壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器功能全面，包括105V升壓開關(guān)（圖7），但它只需要3.0到5.5V的電源進(jìn)行供電。它使用兩個(gè)外部電阻設(shè)置升壓電壓，使用兩條I / O線可設(shè)置四種增益倍率。

圖7：DRV8662是一款針對(duì)觸覺應(yīng)用的壓電驅(qū)動(dòng)器，僅靠單數(shù)字電源可提供超過100V的電壓。（資料來源：德州儀器）

它可驅(qū)動(dòng)多種器件。例如，在300Hz時(shí)，可以用200VPP驅(qū)動(dòng)100nF負(fù)載，用150VPP驅(qū)動(dòng)150nF負(fù)載，用100VPP驅(qū)動(dòng)330nF負(fù)載，用50VPP驅(qū)動(dòng)680nF負(fù)載。盡管其內(nèi)部較為復(fù)雜，但其外部是一個(gè)二十引腳的4×4mm QFN（方形扁平無引腳封裝）。它使用簡(jiǎn)單，連接方式如圖所示（圖8）。

圖8：盡管其內(nèi)部設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，DRV8662僅需要簡(jiǎn)單的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)基本功能。（資料來源：德州儀器）

Microchip公司產(chǎn)品

除了基本的數(shù)據(jù)手冊(cè)外，一些壓電IC的供應(yīng)商已經(jīng)不僅僅提供IC及其基本的支持文檔，同時(shí)也提供詳細(xì)的參考設(shè)計(jì)。例如，Microchip Technology為壓電馬達(dá)流體微泵提供了完整的參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)包括框圖（圖9），流程圖，代碼，原理圖和布線布局，還包括了充電器，微控制器和其他組件的低壓電源子系統(tǒng)和壓電驅(qū)動(dòng)器的高壓驅(qū)動(dòng)部分。

圖9：除了基本的數(shù)據(jù)手冊(cè)外，Microchip公司同時(shí)也提供詳細(xì)的參考設(shè)計(jì)。比如，其提供了一個(gè)由壓電馬達(dá)控制的液體微型泵的完整的設(shè)計(jì)和內(nèi)部軟件。（資料來源：Microchip Technology）

該設(shè)計(jì)中，高壓部分使用一對(duì)IC（圖10），并能夠以300Hz的最大頻率提供250VPP的電壓。該設(shè)計(jì)基于HV913高壓驅(qū)動(dòng)器和HV9150 DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器將低壓軌從可充電電池轉(zhuǎn)換為250V，然后將其用于IC驅(qū)動(dòng)壓電微型泵。驅(qū)動(dòng)器IC提供單極推挽輸出的高電壓。控制器IC產(chǎn)生一系列脈沖以驅(qū)動(dòng)壓電元件。其設(shè)計(jì)不僅僅停留在紙面，而是可實(shí)際構(gòu)建和測(cè)試的（圖11）。

圖10：除了傳統(tǒng)的低壓部分外，該設(shè)計(jì)還采用雙集成電路方式將設(shè)計(jì)的低壓軌升壓至250V，以滿足壓電泵所需電壓值。（資料來源：Microchip Technology）

圖11：壓電微泵控制器是一個(gè)內(nèi)置并經(jīng)過測(cè)試的單元，數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了許多波形細(xì)節(jié)和測(cè)試代碼。（資料來源：Microchip Technology）

小結(jié)

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)微小的直線運(yùn)動(dòng)以及精密控制時(shí)，選擇壓電馬達(dá)去控制精密微小運(yùn)動(dòng)是很合適的。壓電馬達(dá)可以代替磁轉(zhuǎn)子馬達(dá)和線性馬達(dá)，并且壓電馬達(dá)的許多參數(shù)可以控制和調(diào)整，這使得它們?cè)谔囟ǖ氖褂铆h(huán)境下有普通馬達(dá)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于其高電壓（而不是電流）的驅(qū)動(dòng)要求，還有容性（而不是感性）負(fù)載的特點(diǎn)，其驅(qū)動(dòng)要求與電磁馬達(dá)不同。

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器與外部升壓晶體管一起使用，可在提供高電壓的同時(shí)滿足電流要求。然而，IC供應(yīng)商的器件針對(duì)驅(qū)動(dòng)壓電元件進(jìn)行過優(yōu)化，增添了額外的功能，比如更好地控制輸出驅(qū)動(dòng)、過熱保護(hù)和其他斷電保護(hù)、短路保護(hù)等等，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)增強(qiáng)了其性能。