压电电动机的驱动器设计

对于大多数电气工程师而言,简单的术语“ 电机 ”意味着一件事:电磁旋转运动单元。需要线性而非旋转运动的工程师考虑添加某种机械连杆或者可能是线性感应电磁马达。然而,由于控制,机械公差,间隙和其他电气和机械问题的挑战,传统的电磁马达 - 无论是旋转的还是线性的,或大的或小的 - 通常不是精确的微小线性运动的最佳选择。幸运的是,有一种非常可行的替代方案:压电电机,广泛用于需要精确控制微小线性运动范围的各种应用中。

压电电机概述

这种引人入胜的非传统电机基于众所周知且广泛使用的压电效应,这是一种对称的电 - 机械关系。在这种效果下,当晶体材料受到机械应力(挤压)时,它会产生电压; 当对同一晶体施加电压时,材料膨胀的量非常小。这对压电特性在经典的基于晶体的振荡器中得到了很大的成功,这种振荡器已经形成了近100年的时钟/频率源基础(尽管近年来基于MEMS的振荡器作为替代方案正在变得强大)。
在压电电动机中,电场施加到晶体材料上(通过材料上的电压),并且材料非常轻微地伸长,对于通常施加的电压,其大约为0.01%至0.1%。这些电动机很小(它们的许多优点之一),每个尺寸的代表性装置约为10mm(较大的也在使用中),并且所产生的运动大约为微米,但具有力的牛顿。通过将多个压电晶体堆叠和驱动为单个单元,可以实现具有更大力的更大伸长。
这种物理伸长可以两种方式使用。在一种布置中,压电材料可以交替地被保持,然后通过一组微小的压电夹具释放,从而允许晶体向前英寸(适当地称为尺度模式),如图1所示。
Inchworm压电马达驱动

图1:对于压电电机驱动的适当夹紧和松开时间,电机可以微小的增量向前移动,类似于一个尺寸(1壳体,2个移动晶体,3个锁定晶体,4个旋转部件) 。(资料来源:Laurensva Lieshour / CC BY-SA 3.0)
或者,可以将晶体的一端夹紧在适当的位置,同时允许另一端在施加和移除电压时来回移动,从而产生活塞或滑棒运动(图2)。多个压电马达的阵列也可以布置成圆形以提供旋转运动,尽管它们的主要用途是线性运动。
活塞配置压电马达驱动

图2:一端固定到位,压电电机成为精确,高度可控的活塞。(来源:Inductiveload / CC BY 2.5)
基于压电的运动用于输液泵,显微镜载物台,光学定位,仪器仪表,喷墨喷嘴等; 廉价,低质量的压电设备用于音频发声器,报警器,甚至小型扬声器,但这些用途具有宽松的性能要求。压电电机速度快,可以达到多kHz范围 - 电磁电机不可能 - 并且精确,可重复和可控。此外,它们是干净的,没有轴承需要可能导致污染的润滑剂,而它们的非金属性质在许多情况下也是有利的(甚至可能是必需的,如在MRI机器中)。

有所作为

与电磁电机一样,完整且可用的压电电机组件由三部分组成:电子驱动器,电气 - 机械传感器(电机)本身和输出连杆。我们将专注于驱动电子产品。
对于电磁电动机,驱动功能需要向电磁线圈提供电流和吸收电流,这通常使用功率半导体(MOSFET或IGBT)来完成。这些功率器件由驱动器控制,驱动器在正确的时间以适当的压摆率开启和关闭它们,并且它们必须将所需的电流源/吸入其高感性负载。需要施加到MOSFET或IGBT输出级的电压来迫使电流进入线圈,但是电流为电机线圈提供电磁力。
对于压电电机,情况非常不同。驱动器必须提供相对高的电压以产生电场,而不是驱动电流,并且电流是伴随该施加电压的次要因素。因此,压电驱动方案是电磁驱动器的补充,其中需要电流驱动并且电压是其结果; 在这里,电压是需要的,电流是结果。压电驱动器必须将所需的电压(不是电流)提供给电容(非电感)负载,并且必须控制和调制该电压以强制所需的晶体伸长。换句话说,电流是独立参数,电压是传统电机的相关参数,但对于压电电机,情况正好相反。
压电马达所需的电压(以及电流)水平取决于压电元件的尺寸,预期的伸长率和运动速率。在低端,电压和电流值可分别为20-30V和10-30mA,但大多数高性能压电单元需要至少10V和10到几百毫安,甚至还有使用1,000V及以上的压电电机在几安培。
正是这种需要在中等电流下提供高电压,这是电气设计的挑战。此外,压电驱动器必须保持稳定,尽管负载的高电容特性可以读取1,000pF(1nF)甚至更多。此外,由于压电器件是浮动差分器件,因此大多数应用都需要差分双极驱动器输出。
一个主要的设计注意事项:由于这些电机在更高的电压下工作,因此存在用户安全,物理隔离和电压保护等问题,以及规定最小爬电距离和间隙尺寸的法规要求,这是电压电平的函数。因此,除了适用于电路电气性能的电路外,压电电机的任何驱动电路都必须牢记这些布局和布局条件。另请注意,这些高压和适度的电流配对并非压电设备所独有,因为许多科学甚至商业产品都需要这种组合,例如霓虹灯,特殊真空管,静电计和光学设备等。

设计提供选项

在很多情况下,开发和提供压电驱动器所需的相对较高的电压是一项挑战,因为大多数放大器IC都是低压器件,而较高电压的器件通常针对MOSFET / IGBT所需的电流驱动进行优化,而不是电压驱动。有一些专门的运算放大器(运算放大器)设计用于使用高压IC工艺在较高电流和电压下进行压电驱动,或者用于将低压运算放大器与电压提升晶体管组合在一起的混合设备。
原则上,可以仅使用具有足够额定电压的晶体管来构建基本的高压驱动器(图3)。然而,这种设计缺乏高性能压电驱动器所需的精度,可控性和稳定性,并且还缺乏故障模式的保护功能。此外,它不能提供双极输出,而其基极电路驱动需要合适的电路。因此,这种基本设计更适合技术难度较低的应用,如压电报警器和探测器。
压电电机的基本晶体管控制

图3:虽然压电元件可由基本晶体管控制,但该配置仅适用于压力型扬声器等极具挑战性的应用。(来源:村田)
幸运的是,供应商已开发出专为压电驱动而设计的IC,可简化任务,同时增加所需的特性和功能,包括控制高压波形转换。这些IC还提供热,过载和短路保护,这些都是实际设计中必不可少的。

来自ADI公司

例如,ADI公司提供ADA4700-1,这是一款高压精密放大器,具有宽工作电压范围(±5至±50V)。虽然这款8引脚SOIC器件看起来像标准运算放大器,但它经过优化,可在保持稳定的同时为容性负载提供高压摆率输出,如图4所示。它具有多种工作条件(例如,在各种电压,负载,温度,失真水平和过冲情况下),并且由数据表支持,该数据表在多种情况下具有超过60个性能图。
ADI公司的ADA4700具有压摆率性能

图4: ADA4700-1高压精密放大器具有精心定义的压摆率性能,以及数据手册中详述的许多其他属性。(来源:ADI公司)
ADA4700-1在驱动容性负载时具有最小的过冲稳定性,但额外的补偿可以在驱动更大的电容时增强响应。这需要一个小的缓冲网络,如图5所示 ; 对于单位增益应用和高达1nF(1,000pF)的容性负载,只需要150?“|电阻和10nF电容的组合。对于高达10nF的较大负载和诸如十倍的较高增益,电阻器减小到22“|而电容器增加到100nF。最后,通过增加一对外部互补(PNP / NPN)晶体管,可以提高驱动电流水平(图6)。
用于ADA4700-1的高容性负载应用电路

图5:为了驱动高容性负载,ADA4700-1增加了一个简单的外部RC缓冲电路。(来源:ADI公司)
具有PNP / NPN晶体管的高容性负载应用电路,用于ADA4700-1

图6:如果需要额外的输出电流,PNP / NPN晶体管对将添加到ADA4700-1的输出。(来源:ADI公司)

来自德州仪器

德州仪器(TI)还提供非常适合压电式负载的器件。他们的DRV8662压电触觉驱动器集成了升压转换器,具有高度的功能,包括一个105V升压开关(图7),但它只需要3.0到5.5V电源。使用两个外部电阻设置升压电压,使用两条I / O线将器件增益设置为四个值之一。
德州仪器DRV8662应用图

图7: DRV8662是一款针对触觉应用的压电驱动器,可从单位数电源提供超过100V的电压。(来源:德州仪器)
它具有一系列驱动能力。例如,在300Hz工作时,规定在200V PP下驱动100nF ,在150V PP下驱动150nF ,在100V PP下驱动330nF,在50V PP时驱动680nF 。尽管内部复杂,但这种二十引线,4×4mm QFN易于使用,如其互连所示(图8)。
DRV8662应用图

图8:尽管内部复杂,但在电路中使用DRV8662只需要几个外部组件来设置基本操作参数。(来源:德州仪器)

来自Microchip

一些压电相关IC供应商不仅仅​​提供IC及其基本支持文档,如数据表,而是提供详细的参考设计。例如,Microchip Technology为压电马达流体微型泵提供了完整的设计。该设计包括一个框图(图9),流程图,代码,原理图和布局,还显示了充电器,微控制器和其他组件的低压电源子系统,以及驱动该电路的高压部分。压电泵。
Michochip应用说明,用于流体微型泵

图9:远远超出数据手册,Microchip Technology提供了详细的应用说明,为压电电机驱动的流体微泵控制器提供了完整的设计,包括软件。(来源:Microchip Technology)
该设计使用一对IC作为其高压部分(图10),并能够以最高300Hz的频率提供高达250V的PP。该设计基于HV9150 DC / DC升压转换器,与HV913高压驱动器配合使用。升压转换器将低压轨从可充电电池转换为250V,然后用于为驱动器IC供电以驱动压电微泵。驱动器IC提供高压,单极性推挽输出,并且从控制器IC产生一系列脉冲以驱动压电元件。最终设计不仅仅是纸张概念,而是经过构建和测试(图11)。
Microchip Technologies HV9150 HV513框图

图10:除了传统的低压部分外,该设计采用双IC方法将设计的低压轨提升和管理至压电泵所需的250V电平。(来源:Microchip Technology)
Microchip压电微芯片控制器

图11:压电微泵控制器是一个经过构建和测试的单元,应用笔记提供了大量的波形细节和测试代码。(来源:Microchip Technology)

概要

压电电机是许多微动应用的有效解决方案,需要微小的线性运动和精确控制。它们可以取代电磁旋转和线性电机,在适当的应用中,它们可以在许多参数上提供卓越的性能,以及传统电机无法提供的一些独特功能。由于其较高的电压驱动要求(而不是电流)和电容负载(而非电感),其驱动器要求与电磁电机不同。
标准运算放大器可与适当的外部升压晶体管一起使用,以提供高电压和适度电流的组合。然而,IC供应商提供的器件针对驱动压电元件进行了优化,并包括额外的功能,如更好地控制输出驱动,散热和其他关断安全功能,短路保护等,从而简化设计,同时增强性能。

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