壓電馬達是什麼 壓電馬達的驅動設計解析

壓電馬達是什麼 壓電馬達的驅動設計解析

工程師飛燕 發表於 2018-10-16 10:26:00

對大多數電氣工程師而言，「電動機」是指電磁旋轉運動單元。當需要線性運動而不是旋轉運動時，工程師會考慮添加機械轉換裝置或者使用線性感應馬達。然而，由於控制、公差、反向間隙等電氣和機械問題，傳統的電磁馬達通常不能提供直線運動所需要的高精確（無論是轉子馬達、線性馬達，不論是大是小）。幸運的是，目前有了一個可行的替代方案——壓電馬達，它廣泛應用於需要精確控制的微小直線運動中。

壓電馬達概覽

這種迷人的、非常規的馬達理論基礎是眾所周知並廣泛應用的壓電效應。這是一種對稱的機電關係，具有這種效應的晶體材料受到機械應力（擠壓）時，就會產生電壓；相反的，當施加電壓到這種晶體時，材料會有很小的膨脹。這種壓電性能在經典晶體振蕩器中取得了巨大的成功，這種振蕩器是近100年來時鐘源的基礎（儘管近年來替代品MEMS基振蕩器勢頭強勁）。

在壓電馬達中，通過在材料上施加電壓，產生電場，材料發生輕微地延伸。對於典型的電壓，其形變量約為0.01%到0.1％。這些馬達很小，這也是他們的優點之一，每個典型裝置的尺寸約為10mm。它們所產生的形變是微米量級的，但是所產生的力卻是牛頓量級的。通過堆疊多個壓電晶體，可以實現更大的承受力和伸長率。

有兩種使用方式可以實現物理的伸長。其中一種方式是，壓電材料交替地夾持，然後由一組微小的基於壓電的夾具釋放，從而允許晶體向前移動（適當地稱為蚯蚓模式），如圖1所示。

圖1：只要夾緊和鬆開時機合適，馬達就可以類似於蚯蚓（1殼，2移動晶體，3鎖定晶體，4旋轉部件）一樣以微小增量向前移動。（資料來源：Laurensva Lieshour / CC BY-SA 3.0）

或者，可以固定晶體的一端，同時在另一端施加/移除電壓，就能形成活塞或滑動運動（圖2）。雖然壓電馬達主要用於線性運動，但如果把多個壓電馬達排布成圓形的陣列，也可以進行旋轉運動。

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

壓電式運動可以應用在注入泵，顯微鏡臺，光學定位，儀器儀表，噴墨噴嘴等方面。廉價的低品質壓電裝置可應用於揚聲器，報警器，甚至是小型擴音器等，但是這些用途具僅要求較低的性能。壓電馬達可以以數千赫茲的頻率運動（傳統的電驅動馬達無法達到），並且快速，精確，可控。此外，它們沒有軸承，不需要使用可能引起汙染的潤滑劑，因此整個系統非常潔淨。它們的非金屬材質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）。

驅動-大有不同

與電磁馬達一樣，一個完整且可用的壓電馬達組件由三部分組成：電子驅動器，電氣機械傳感器（馬達）本身和輸出連杆。本文將專注於電子驅動系統部分。

驅動電磁馬達時，需要利用功率半導體器件（MOSFET或IGBT）來控制拉電流和灌電流進入電磁線圈。驅動器在正確的時間以適當的轉換速率打開和關閉功率半導體，以控制電流灌/拉到高感性負載中。MOSFET或IGBT輸出級需要施加電壓以控制電流，但為馬達線圈提供電磁力的其實是電流。

對於壓電馬達，情況是迥異的。馬達驅動器上需要施加高電壓來提供電場，電流反而是次要因素了。因此，壓電驅動是電磁驅動的補充。電磁驅動中電流是主體，電壓是附屬，而壓電驅動時，電壓是主體，電流是附屬。壓電驅動器必須將電壓（而非電流）提供給容性（而非感性）負載，並且必須控制並調節該電壓以控制晶體的伸長量。換言之，常規馬達中電流是獨立參數，電壓是受控參數，但對於壓電馬達，情況恰恰相反。

壓電電動機所需的電壓（和電流）取決於壓電元件的尺寸，預期的伸長率和運動速率。在低壓時，電壓和電流值分別可達20-30V和10-30mA，但是大多數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機，其電流可達幾安培。

對於電氣設計的挑戰是，需要在中等電流的前提下提供高電壓。此外，壓電驅動器必須在帶有可達1,000pF (1nF)的高電容負載時保持穩定。由於壓電器件是浮動差分器件，大多數應用需要差分雙極驅動器輸出。

一個重要的設計注意事項：由於這些馬達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等問題。設計需要符合最小爬電距離和間隙尺寸的規則要求（它們是電壓電平的函數）。因此，壓電馬達的設計中除了要估計電氣屬性，還必須關注布線和環境條件。還要注意，高電壓和適中的電流並不是壓電器件的特有要求，許多科研級甚至商業級產品都有此類要求，如霓虹燈，特殊真空管，靜電計和光學設備等等。

驅動的選擇

大多數放大器集成電路都是低電壓器件，而高電壓器件通常會針對MOSFET / IGBT所需的驅動電流（而不是電壓）進行優化設計，因此開發和提供壓電驅動器所需高電壓往往是一個難點。有些專用運算放大器（op amps）使用高壓集成電路處理器滿足高電壓強電流的要求以適配壓電驅動的設計，或者在輸出端有低壓運放結合升壓電晶體組合的設計。

原則上，用高額定電壓的電晶體構建基本的高壓驅動器（圖3）是可行的。然而，這種設計缺乏精度、可控性和穩定性，它還缺乏故障模式的保護。此外，它不能提供雙極性輸出，其基極電路驅動還需要專門設計合適的電路。因此，這種類型的基本設計更適合於低端應用，如壓電報警器和發聲器。

圖3：雖然壓電元件可以由基本電晶體控制，但該設計僅僅適用於較為低端的應用，例如基於壓電的揚聲器。（資料來源：Murata）

幸運的是，供應商已經開發出專門為壓電驅動設計的IC（集成電路），簡化任務的同時增加了其它有用的特性和功能，包括高壓波形轉換控制。這些IC還提供熱、過載和短路保護，這些特性在實際設計中是必不可少的。

AD公司產品

例如，AD公司的ADA4700-1是一種高電壓精密放大器，工作電壓範圍較寬（±5至±50V）。雖然這款八引腳SOIC（小外形集成電路封裝）器件看起來像一個標準的運放，但它經過了優化，可穩定地以高電壓轉換速率給容性負載供電，如圖4所示。它具有多種工作條件（各種電壓，負載，溫度，失真水平和過衝等），並且提供在不同使用場景下，60餘張圖表和數據供參考。

圖4：ADA4700-1高壓精密放大器具有精密的壓擺率（電壓轉換速率）性能，數據手冊中詳細介紹了其他屬性。（資料來源：Analog Devices）

ADA4700-1在驅動容性負載時穩定且超調量很小。驅動較大容性負載時可提供額外的補償以增強響應，不過這需要添加一個小的緩衝電路，如圖5所示；對於單位增益應用和高達1nF（1,000pF）的容性負載，需要150Ω電阻和10nF電容的組合。對於10nF的更大負載和更高增益，如十倍，電阻降低到22Ω，而電容增加到100nF。通過添加一對互補（PNP / NPN）電晶體可以提高驅動電流電平（圖6）。

圖5：為驅動高容性負載，在ADA4700-1外部添加了一個簡單的外部RC緩衝器電路。（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PNP/NPN電晶體（資料來源：AD公司）

TI公司產品

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

圖7：DRV8662是一款針對觸覺應用的壓電驅動器，僅靠單數字電源可提供超過100V的電壓。（資料來源：德州儀器）

它可驅動多種器件。例如，在300Hz時，可以用200VPP驅動100nF負載，用150VPP驅動150nF負載，用100VPP驅動330nF負載，用50VPP驅動680nF負載。儘管其內部較為複雜，但其外部是一個二十引腳的4×4mm QFN（方形扁平無引腳封裝）。它使用簡單，連接方式如圖所示（圖8）。

圖8：儘管其內部設計較為複雜，DRV8662僅需要簡單的外圍電路就可實現基本功能。（資料來源：德州儀器）

Microchip公司產品

除了基本的數據手冊外，一些壓電IC的供應商已經不僅僅提供IC及其基本的支持文檔，同時也提供詳細的參考設計。例如，Microchip Technology為壓電馬達流體微泵提供了完整的參考設計。該設計包括框圖（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和壓電驅動器的高壓驅動部分。

圖9：除了基本的數據手冊外，Microchip公司同時也提供詳細的參考設計。比如，其提供了一個由壓電馬達控制的液體微型泵的完整的設計和內部軟體。（資料來源：Microchip Technology）

該設計中，高壓部分使用一對IC（圖10），並能夠以300Hz的最大頻率提供250VPP的電壓。該設計基於HV913高壓驅動器和HV9150 DC / DC升壓轉換器。升壓轉換器將低壓軌從可充電電池轉換為250V，然後將其用於IC驅動壓電微型泵。驅動器IC提供單極推輓輸出的高電壓。控制器IC產生一系列脈衝以驅動壓電元件。其設計不僅僅停留在紙面，而是可實際構建和測試的（圖11）。

圖10：除了傳統的低壓部分外，該設計還採用雙集成電路方式將設計的低壓軌升壓至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內置並經過測試的單元，數據手冊提供了許多波形細節和測試代碼。（資料來源：Microchip Technology）

小結

當需要實現微小的直線運動以及精密控制時，選擇壓電馬達去控制精密微小運動是很合適的。壓電馬達可以代替磁轉子馬達和線性馬達，並且壓電馬達的許多參數可以控制和調整，這使得它們在特定的使用環境下有普通馬達不可比擬的優勢。由於其高電壓（而不是電流）的驅動要求，還有容性（而不是感性）負載的特點，其驅動要求與電磁馬達不同。

標準運算放大器與外部升壓電晶體一起使用，可在提供高電壓的同時滿足電流要求。然而，IC供應商的器件針對驅動壓電元件進行過優化，增添了額外的功能，比如更好地控制輸出驅動、過熱保護和其他斷電保護、短路保護等等，從而簡化了設計，同時增強了其性能。

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