基于DSP的壓電馬達驅動電路設計

孟照魁，耿曉珂，李慧鵬

（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191）

0 引言

在保偏光纖對軸過程中，偏振軸的檢測、光纖三維定位以及高精度旋轉都會影響保偏光纖的對軸精度。其中，光纖的三維精確定位需要高精度的微位移機構。傳統的定位系統常常采用電機驅動精密絲杠的方式實現，因為摩擦和間隙的存在會降低系統的性能和精度，系統的穩定性也會降低，而且體積較大。故本文采用基于壓電馬達的高精度微位移結構代替傳統步進電機驅動的光纖調整結構，提升保偏光纖對軸平臺的精度。

壓電馬達（PZM）是一種新型的驅動電機，它的工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過激發定子在超聲頻段內的微觀振動，利用摩擦傳動的原理，將其轉換成動子的直線運動。與傳統的電磁電機相比，壓電馬達具有體積小、質量輕、功率密度大、低速大扭矩、動態響應快、斷電自鎖等優點，已被廣泛應用在家庭辦公、醫療、智能機器人、航空航天、精密微動機構等領域［1-4］。

由于壓電馬達特殊的工作原理，其外加的驅動信號也有特定的要求，壓電馬達的驅動電壓一般在300V（峰峰值）以上，驅動頻率在20kHz～100kHz之間。不同的壓電馬達具有不同的電壓工作范圍和最佳工作頻率，因而，壓電馬達的驅動電路不僅要能夠輸出高頻高壓信號，而且其頻率、幅值都應該是可調的。傳統的驅動電路多是利用變壓器來實現電壓升壓，但這種設計通用性差，并且變壓器的體積阻礙了驅動電路的小型化。本文通過對壓電馬達等效電路的分析，利用LC諧振升壓原理設計驅動電路，省去體積龐大的變壓器，減小驅動電路的面積，從而實現光纖對軸系統的小型化設計［5-8］。

1 壓電馬達

1.1 壓電馬達等效電路

壓電馬達是一種利用彎縱振動模態的單驅動超聲電機，通過把激勵信號加載到不同電極的兩端實現壓電馬達正反向運動［9］。壓電馬達一般工作在諧振頻率附近，可以用圖1的等效電路來代替。其中，Cd是壓電陶瓷介電性能引起的夾持電容，Lm是定子質量效應的等效電感，Cm是定子彈性效應的等效電容，Rm是定子內機械損耗的等效電阻。在不改變外特性的前提下，可將壓電馬達的等效電路簡化為RC并聯電路。其各參數間的關系如下：

1.2 匹配電路

從壓電馬達等效電路的模型中可以得出壓電馬達的定子對外呈現容性，而輸入到定子上的電壓信號一般都含有高次諧波，這些高次諧波會對壓電馬達的運行特性產生不利影響，因此要在定子前加入阻抗匹配電路，使定子對外呈現阻性或者低感性。本文通過把壓電馬達并聯在LC串聯電路的電容兩端，使壓電馬達定子和匹配電路組成諧振電路，此時電路諧振頻率與壓電馬達的諧振點相同，匹配電路如圖2所示。

壓電馬達定子和匹配電路組成的電路的阻抗為：

系統呈純阻性的條件是：

其中，ωr＝ωs。

電感電容匹配電路的品質因數為：

在諧振電路中品質因數Q越大，濾波效果越好，升壓效果越明顯。通過改變匹配電路中L與C的值，用較低電壓的輸入電源諧振產生較高電壓驅動壓電馬達，同時也可以改善電路的的濾波性能。

2 硬件電路設計

2.1 總體方案設計

硬件電路的總體方案如圖3所示，系統以TMS320F28035為控制核心，TMS320F28035是TI公司C2000系列的DSP，它是專門面向電機控制、數字電源、白色家電設備、混合動力汽車電池和LED照明等成本敏感型應用的數字信號處理器；采用單電源供電，只要3.3V就可以穩定工作；具有3個32位通用CPU定時器；包含高達7個增強型PWM模塊（ePWM），可以提供高分辨率（低至65ps）的占空比、周期以及相位控制；具有高達16路模擬輸入通道以及高達12.5MSPS的12位ADC采樣。

在驅動電路中，通過DSP的PWM模塊產生一定頻率的方波信號驅動全橋逆變實現功率放大，再經過LC諧振升壓產生驅動信號，通過GPIO模塊控制繼電器的開關把驅動信號接通到壓電馬達的電極兩端，實現壓電馬達的運動方向控制。DSP的驅動信號都加入了光耦隔離模塊實現強弱電以及驅動控制電路間的隔離保護，同時，采樣電路對壓電馬達的驅動信號進行采樣反饋到DSP，實現電路保護［10-11］。

2.2 驅動電路

壓電馬達驅動電路的輸入信號是DSP產生的PWM波，經過全橋逆變實現功率放大，產生頻率和幅值一定的方波信號，然后利用LC諧振升壓原理把方波轉變成驅動壓電馬達的高壓正弦信號。全橋逆變電路如圖4所示，全橋電路中的4個MOSFET由IR2110S來驅動。IR2110S驅動電路輸出級工作電源是一懸浮電源，通過自舉原理由固定的電源提供，圖中D1和D6為充電二極管；C2和C5為自舉電容；R1、R3、R5和R7為柵極驅動電阻，以緩解器件開通過程中的過沖現象；D2、D4、D7和D9為反轉的二極管，目的是加快MOSFET的關斷；L和C是匹配電感和電容。驅動電路是整個電路模塊的核心。

2.3 電路仿真

為了進一步驗證驅動電路設計的準確性，利用Multisim仿真軟件對驅動電路進行仿真分析，壓電馬達驅動電路仿真示意圖如圖5所示。圖5中，L1為匹配電感，C1為匹配電容，S1、S2、S3、S4為MOSFET組成全橋逆變電路，Cd、Cm、Lm和Rm為壓電馬達等效電路。

對驅動電路仿真分析，通過固定匹配電路中電容值，改變電感來觀測輸出驅動信號。結果發現，在匹配電容為0.8mH～1.4mH時，最高電壓能滿足要求，在L＝1mH時驅動信號的電壓幅值最大。此時，MOSFET驅動信號頻率為50kHz，占空比為50%，C＝9.4nF。通過仿真發現驅動電路能夠實現驅動壓電馬達的要求，仿真驅動波形如圖6所示。

3 硬件實驗

當匹配電路中的電感電容選定后，電路的諧振頻率保持不變，因此可以通過改變驅動信號頻率和占空比對壓電馬達進行控制。而壓電馬達的位移量與施加在其兩端的交流電壓大小成正比，本文通過調節輸入方波信號的占空比可以實現壓電馬達驅動信號幅值的調節，故通過調節輸入信號的占空比改變壓電馬達的運動速度。

本文采用TMS320F28035 DSP芯片，通過編程提供驅動全橋電路的4路PWM波信號，PWM信號如圖7所示。由DSP產生的4路PWM波經過IR2110S驅動芯片，驅動MOSFET以上下互反，對角相同的驅動方式工作，達到驅動壓電馬達的目的。

壓電馬達的諧振頻率為47.5kHz，匹配電感為L＝0.91mH，匹配電容為C＝9.4nF，PWM 信號的頻率為47.5kHz，實驗輸出的波形如圖8所示。在實際測試中，當輸入PWM波的占空比為18%時，諧振驅動輸出的峰峰值電壓為300V以上，能驅動壓電馬達良好運行。實驗證明，本文設計的壓電馬達驅動控制電路性能良好，運行穩定。

4 結論

本文設計了一種基于壓電馬達的精密微位移機構驅動電路，系統以DSP TMS320F28035為控制核心，驅動電路采用全橋逆變電路實現功率放大和LC諧振生成高頻高壓正弦波驅動信號。利用Multisim軟件對匹配電路仿真分析，通過調節電路中電感和電容，實現驅動壓電馬達的要求。壓電馬達的速度控制是通過調節輸入信號的占空比來實現的。實驗證明驅動電路能夠滿足驅動壓電馬達的要求，在此基礎上提高保偏光纖對軸中的定位精度，進而實現對軸系統的小型化。