邵東明，王炅，唐玉娟，佟雪梅

（南京理工大學機械學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統的電磁電動機已不能滿足在小型或微型領域的要求。研究表明，當直徑小于6 mm時，電磁電動機效率顯著下降［1］。并且由于電磁電動機的轉速一般較高，需要配套相應的減速機構，而這無疑會進一步的降低電動機的輸出效率并增加整個驅動機構的尺寸大小。壓電電動機在小型化方面具有電磁電動機無法比擬的優(yōu)勢，其機構簡單，設計靈活，可以根據需求輸出不同形式的運動，如轉動、步進和直線運動。壓電電動機是利用壓電材料的逆壓電效應制成的新型驅動器，突破了傳統的電磁電動機的概念，無電樞繞組和磁路，不依靠電磁的相互作用來轉換能量［2］。它由定子、轉子（滑塊）、壓電陶瓷片以及施加預壓力的機構等部件組成。把超聲頻率交變電壓加在壓電陶瓷上激勵出定子彈性體的超聲振動，通過定子與轉子之間的摩擦耦合作用驅動轉子（滑塊）運動。壓電電動機的主要特點有:1）低速大轉矩，不需減速機構;2）響應速度快，僅毫秒級;3）定位精度高，能實現微米級甚至納米級的定位精度;4）不產生磁場，亦不受外界磁場干擾;5）能斷電自鎖，具有較大的保持扭矩［3］。

本文介紹了一種微型直線壓電電動機SQL squiggle。其結構尺寸為2.8×2.8×6 mm，定位精度達亞微米級，可方便的集成應用于數碼設備、微型醫(yī)療制動器、微型光學模塊等產品中。

1 電動機的結構形式及運動機理

1.1 電動機的結構形式

電動機的結構如圖1所示。電動機由螺桿（轉子）、螺母（定子）、彈性信號線和4塊壓電陶瓷片組成。

圖1 壓電直線電動機結構形式

1.2 電動機的運動機理

a）逆壓電效應

以感應的方式傳遞外電場的作用和影響的材料叫做電介質材料。在電介質材料一定方向上施加外電場，通過電場的作用，造成壓電材料的內部正負電荷中心產生相對位移，導致壓電材料的伸長或者收縮應變，應變與電場強度成正比的現象稱為逆壓電效應［4］。

b）電動機的旋轉原理

“呼啦圈”運動是多數人都熟悉的運動，人體只要恰當的扭動腰部，就會使呼啦圈沿著人體上升、下降或者停留在某處。該壓電電動機的運動機理與“呼啦圈”運動類似，當螺母做沿著軸線周期性彎曲振動時，螺桿便會產生相對于螺母的運動［5］。

沿軸向施加一個很小的預壓力，使得螺桿和螺母始終處于接觸狀態(tài)，兩接觸表面間的摩擦力用來驅動螺桿轉動。貼在金屬螺母表面的正交的壓電陶瓷片在電壓的激勵下產生彎曲變形，從而引起螺母的彎曲變形，兩個空間上正交的彎曲振動合成橢圓運動的運動軌跡。

如圖2所示，在電動機壓電陶瓷表面施加兩相相位差為90°的高頻方波信號（或正弦信號），通過逆壓電效應使得壓電陶瓷產生變形。由于壓電陶瓷片的極化方式是一致的，所以加在其表面的驅動信號會使相對的兩塊陶瓷片產生方向相反的應變。相反的d31應變傳遞到螺母的表面并使得螺母產生彎曲。施加的信號頻率與螺母的一階彎曲共振頻率（B01模態(tài)）相一致，在此共振頻率下，微小的壓電陶瓷應變被整個機械結構放大。在兩相交流信號的激勵下，電動機四個表面的陶瓷片交替產生彎曲變形，從而激發(fā)出螺母的“呼啦圈”振動模態(tài)（圖3）。在預壓力的作用下，螺母和螺桿表面始終處于接觸狀態(tài)，通過螺母與螺桿接觸表面的摩擦力作用驅動螺桿轉動并轉化為直線運動。

圖2 兩相電機驅動信號

2 驅動方案設計

由電動機的運動機理可以知道，只要在壓電陶瓷片上施加相應的交流信號，便可激發(fā)出螺母的一階彎曲模態(tài)，驅動螺桿轉動。

選用NSD-2101 ASIC（專用集成電路）作為驅動芯片，C8051F300單片機作為控制芯片。單片機向驅動芯片發(fā)出相應的指令，調節(jié)驅動信號的頻率、幅度、占空比等參數，從而可以控制電動機的運動速度、運動距離等?？刂菩酒万寗有酒ㄟ^I2C串行總線進行通信?？傮w方案形式如圖4所示。

圖3 電機的振動形式

圖4 電動機的驅動控制方案

2.1 NSD－2101驅動芯片

NSD-2101是針對SQL-RV squiggle電動機設計的壓電電動機專用驅動集成芯片，是工業(yè)上最小的壓電電動機驅動方案。NSD-2101驅動芯片只有4×4 mm大小，采用QFN（方形扁平無引腳）形式封裝。它把2.3 V到5.5 V之間的直流電壓信號轉換成高頻交流電壓信號，直接驅動SQL-RV squiggle電動機運動，不需要配套升壓電路，降低了壓電電動機對驅動電路的苛刻要求，廣泛的提高了電動機的應用范圍［6］。NSD-2101功能結構框圖如圖5所示。

由圖5可以看出，驅動芯片主要包含以下功能模塊:電源輸入、低壓差線性穩(wěn)壓器及支路電容、I2C接口、寄存器、振蕩器、頻率跟蹤和全橋驅動模塊。輸入電壓直接提供在全橋驅動上，通過全橋驅動，每個壓電原件得到2倍于輸入電壓的激勵（2×VDD）。作用在壓電原件上的平均電壓可通過對I2C寄存器的寫操作在VDD和2×VDD之間調節(jié)。通過I2C接口調節(jié)驅動信號的頻率周期或者脈沖寬度都可以調節(jié)電動機的速度。電動機的轉速越低，消耗的能量越少。

圖5 NSD－2101功能模塊圖

I2C接口用來控制NSD-2101芯片和設置不同寄存器的值。這些寄存器可以控制驅動信號的方向、持續(xù)時間、頻率周期、相位差以及加載在電動機上的平均電壓。I2C寄存器可根據電動機的類型在50 kHz到200 kHz之間調整電動機的驅動頻率。通過對寄存器的寫操作還可以改變電動機的運動方向（通過改變驅動信號相位差）和精確控制電動機的運動距離（通過改變電動機驅動方波信號的脈沖數）。

XPD引腳高電平觸發(fā)待機模式，在電動機一段時間不工作以后，通過控制芯片拉高該引腳電平，使系統處于待機模式，從而降低整個系統的功率消耗。

ADR引腳用于選擇芯片的器件地址，若ADR為低電平，則芯片的器件地址為A8 h，反之若ADR為高電平，則芯片的器件地址為AAh，當一條I2C總線上有多個器件時可以通過該引腳為不同的芯片分配不同的器件地址。SDA和SCL分別為I2C總線的串行數據線和串行時鐘線。

P1-1，P1-2，P1-3，P1-4為輸出驅動信號接口，其輸出信號按圖3所示的次序直接加載在電動機的壓電陶瓷片上，驅動電動機運動。

2.2 C8051F300控制芯片

C8051F300器件是完全集成的混合信號系統及MCU芯片，屬于Silicon Labs的小外型微控制器系列。大小為3×3 mm，采用11腳鑄模無鉛封裝（MLP）。C8051F300在極小的封裝中集成了高速8051CPU、FLASH存儲器和高性能模擬電路，允許設計者在提高系統性能的同時，大大減少所需原件的數目。與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準的805X的編譯器和匯編器進行軟件開發(fā)［7］。對C8051F300單片機進行編程，向NSD-2101芯片的相應寄存器寫入相關的數據，即可方便的實現對電動機的控制，如控制電動機的轉速、運動方向、運動距離等。完整的寄存器功能信息可參閱《NSD-2101壓電電動機專用驅動芯片數據手冊》。

根據以上方案設計制作了電動機的驅動控制電路，如圖6所示，該電路大小為4.5×4.5 cm，通過編寫程序可以實現對電動機的驅動及控制，輸出波形如圖7所示，為兩路頻率為50 kHz，相位差為90°的方波信號。

3 結語

分析了一種微型直線壓電電動機的運動機理，并針對該電動機設計了驅動電路，實現了電動機的驅動及對其運動狀態(tài)的控制，如電動機的運動速度、行進距離等，證明了提出的方案的可行性，對電動機在精密驅動領域的應用推廣有一定的參考意義。

［1］ HENDERSON D A.Simple ceramic motor，inspring smaller products［J］.10thInternational Conference on New Actuators.2006.14-16.

［2］趙淳生.面向21世紀的超聲電機技術［J］.中國工程科學，2002，4（2）:86-91.

［3］趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［4］張福學，王麗坤.現代壓電學［M］.北京:科學出版社，2001.

［5］周鐵英，張筠，陳宇.螺母型超聲電機及其在透鏡調焦中的應用［J］.科學通報，2008，53（11）:1251-1256.

［6］New Scale Technologies，Inc.NSD-2101 Piezo Motor Driver ASIC for SQL-RV Series Reduced Voltage SQUIGGLE and UTAF Motors Datasheet.New York，2010.

［7］潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051單片機應用解析［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002:1-20.