音圈電機直流驅動電路設計

摘 要：根據音圈電機的特點，文章設計了一種音圈電機直流驅動電路。該電路基于反相放大的原理，實現了對驅動信號的雙倍放大，增加了放大倍數。同時，設計了電壓保護電路以消除電機反電動勢對電路本身的影響，防止損壞電路。為避免驅動電壓過大對電機造成損壞，設計了電流監控模塊。當驅動電流過大時，即讓電機停止工作，以起到保護電機的效果。實驗結果表明，該電路可有效實現對電機的驅動，并已經成功用于音圈電機的控制系統中。

關鍵詞：音圈電機；直流驅動電路；電壓保護；電流監控

作為一種直線運動電機，音圈電機具有推力大、行程遠、體積小、運動連續的特點[1][2]，采用合適的閉環控制方式和高精度的位移傳感器可以使運動精度達到微米量級[3]。現廣泛應用于二維精密定位[4]，系統隔振[5]以及光學振動臺[6]的設計中。音圈電機種類繁多，主要包括直線型與曲線型兩種方式[1]。由于與其他形式的電機區別較大[7][8][9]，通用的電機驅動器無法滿足音圈電機的應用需求。另外，音圈電機是一種功率型器件，需要驅動系統為其提供強大的功率，所以需要針對音圈電機的特點為其設計專用的驅動模塊。

音圈電機的驅動方式主要包括：直流驅動以及PWM方式驅動。PWM驅動方式目前是一種比較常見的電機驅動方式。但是，這種方式通常需要專用的芯片，價格較高[10][11]。另外，這種工作方式下的輸入輸出信號不滿足線性關系，會增加控制器的設計難度。而直流驅動的方式則簡單直觀，價格便宜，且輸入輸出信號滿足線性關系，可以簡化控制器的設計。文章針對音圈電機的特點設計了一種直流驅動電路，并對電路的原理進行了詳細介紹。同時，設計了相應的電流監控模塊以及保護電路，保障了電機及電路的正常工作。

1 音圈電機直流驅動電路原理簡介

音圈電機直流驅動電路的原理框圖如圖1所示。

中的控制信號X（t），設計范圍為-5V～+5V。X（t）直接控制了音圈電機動子的運動速度以及運動方向。將控制信號X（t）輸入到反相輸入比例運算電路，控制信號將被放大Auf1倍，則反相放大器1的輸出信號為

（1）

將信號Uo1分成兩路，分別接在音圈電機的正端和反相放大器2上。則反相放大器2的輸出信號為

UO2=Auf2UO1=Auf1Suf2X（t） （2）

通過電路的設計使得反相放大器2的放大系數為-1，即Auf1=-1，則有

UO2-Auf1Auf2X（t）=-Auf1X（t） （3）

將Uo2接到音圈電機負端，那么音圈電機兩極之間的電壓差為

U=2|Auf1|X（t） （4）

電壓差U即為驅動音圈電機的電壓。設計時需要注意的是，該電壓U要小于音圈電機所能承受的最大電壓。以BEI公司生產的LA28-13-000A型音圈電機為例，其在最大推力條件下的驅動電壓為29.7V，電流為6.19A。因此在設計時需注意，音圈電機兩極間所允許的最大電壓差不超過29.7V，即音圈電機單端最大電壓不超過±14.35V。通常，出于安全的考慮，需留有一定裕量，取單端最大電壓為±12V。當連接在音圈電機兩端的電壓差值發生變化時，音圈電機動子的運動速度及方向也隨之變化。

2 驅動電路的組成

音圈電機直流驅動電路主要包括三部分：反向輸入比例運算電路、電流監控模塊以及電路保護模塊。其中，電流監控模塊用以實時監測音圈電機中電流的大小，防止電流過大對電機造成損壞，而電路保護模塊主要克服反電動勢對驅動電路的影響。

2.1 反相輸入比例運算電路

反相輸入比例運算電路是一種電壓并聯負反饋電路。其基本電路如圖2（a）所示。根據“虛短”“虛斷”和“虛地”的概念，因此，反相放大器的放大系數為

該電路的輸入、輸出電阻分別為

Ri=R1，Ro=0 （6）

由于反相放大器的輸入端是整個驅動電路的輸入端，因此，有必要在運算放大器的反相端加一個濾波電容C1和電阻R2，用以濾除控制信號中的高頻噪聲的影響，如圖2（b）所示。

集成運放的輸入級是差動放大電路，考慮到兩輸入回路參數對稱，需要在同相輸入端加補償電阻RO=R1//Rf。

2.2 電路過壓保護模塊

為了使得電路不受音圈電機反電動勢影響，需將音圈電機兩端的反電勢控制在一定的范圍之內，設計如圖3虛框中所示的保護電路。

反相輸入比例運算電路中的運算放大器采用±12V供電。當音圈電機的反電動勢大于±12V時，會有反向電流流入運放，擊穿晶體管，損壞運算放大器。在音圈電機的兩個電極間，通過二極管分別連接到+12V和-12V的電壓，理想狀態下，當反電動勢大于+12V時，二極管D1導通，D2截止，+12V電壓會引至Motor+端，反向電流會流向+12V，而不會回流進入運放，從而起到保護集成運放的目的。同理，當反電動勢小于-12V時，Motor-的電壓會被限定在-12V。實際上，二極管具有死區電壓，通常硅二極管死區電壓為0.6～0.7V，鍺二極管為0.2～0.3V。若要使得上述二極管導通，則需在原有12V的基礎上，將電壓再升高死區電壓的幅度，這樣會對電路造成一定危險。在應用過程中，應當選擇導通電壓較小的二極管，從而達到更好保護電路的目的。

2.3 電流監控模塊

在驅動電路中加裝電流監控裝置的目的在于，為外界提供一個可參考的電流信號，這個電流信號直接反映音圈電機的運行情況，監控可能發生的電流過大等意外情況。其基本電路如圖4所示。

在Sense端和Motor-端間加一個0.1？贅的小電阻R5，如圖4（a）所示。Sense端到Motor-端壓降為

由歐姆定理可知，流過電阻R5的電流為

（8）

只要設法測得ΔU，就可計算獲得I的值。

在R5兩端對應的Motor-和Sense端并聯如圖4（b）所示的電路。可測得Feedback端的對地電壓UF。在運算放大器同相端，可得

（9）

Motor-端流過的電流為

在運算放大器反相端，可得

因此

則流過電阻R5的電流為

因此，通過監測Feedback端的對地電壓，經過簡單計算后，就能夠得到流過電阻R5的電流I。電流I的大小可以反映音圈電機的運行情況，當電流過大時，應立即關閉驅動電源，以免對電路板、音圈電機造成損害。

3 PCB板的制作

元器件布置情況如圖5所示。圖中將電路板分為五個區域，分別為外界電源部分、反相放大器1部分、反相放大器2部分、保護電路部分、電流監控裝置部分。制作的PCB板如圖6所示。

4 實驗結果

實驗裝置示意圖如圖7所示。驅動信號由Labview數據采集卡產生，電機驅動模塊的輸出信號通過示波器進行檢測。

實驗中輸入信號的幅值為1.0V，頻率為10Hz。如圖8所示，示波器通道1均為控制信號X（t），每小格電壓為1.00V；示波器通道2均為反相放大器的輸出信號，每小格電壓為2.00V。通過調整反相放大器中可變電阻器的阻值，使得反相放大器1的放大系數為-2，反相放大器2的放大系數為-1。從圖中可以看出，Uo1與X（t）反相，比X（t）大了2倍，Uo2與X（t）同相，同樣也比X（t）大了2倍，與Uo1幅值基本相同。控制信號波明顯有一定的噪聲，波形不平滑，而輸出信號的波形很平滑，說明電路中的濾波電容起到了一定的作用。

（a）X（t）與Uo1的對比 （b） X（t）與Uo2的對比

在驅動電路正常運行中，將示波器的探頭CH1和CH2分別與Motor+和Motor-相接，對比兩路信號，觀察兩路信號幅值、頻率、相位關系。運行示波器的運算功能，調節至減法運算選項“CH1-CH2”。記錄的波形如圖9所示。

兩個反相放大器的輸出信號即為電機兩極的控制信號Uo1、Uo2。兩個信號的幅值都在2V左右，相位相反。作用于電機上的電壓即為兩路信號電壓之差，即Uo1-Uo2。從圖9中可以看出，相減波形的頻率與X（t）、Uo1、Uo2保持一致，幅值大概在4V左右，相當于控制信號X（t）的4倍，也即輸入信號放大了4倍。

5 結束語

文章根據音圈電機的特點，設計了一種直流驅動電路。該電路通過對輸入音圈電機正負端的電壓信號分別進行正向和反向放大來對電機進行驅動。為了克服反電動勢以及電流過大的影響，文中還介紹了過壓保護電路以及電流監控模塊的設計原理，并制作了相應的PCB板。過壓保護以及電流監控模塊的設計保證了電機及相關電路的正常工作運行。設計的驅動電路已成功運用于音圈電機的控制中。

參考文獻

[1]張大衛，馮曉梅.音圈電機的技術原理[J].中北大學學報（自然科學版），2006，27（3）：224-228.