摘 要：根據(jù)音圈電機(jī)的特點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)了一種音圈電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)電路。該電路基于反相放大的原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的雙倍放大，增加了放大倍數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了電壓保護(hù)電路以消除電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路本身的影響，防止損壞電路。為避免驅(qū)動(dòng)電壓過大對(duì)電機(jī)造成損壞，設(shè)計(jì)了電流監(jiān)控模塊。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流過大時(shí)，即讓電機(jī)停止工作，以起到保護(hù)電機(jī)的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并已經(jīng)成功用于音圈電機(jī)的控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：音圈電機(jī)；直流驅(qū)動(dòng)電路；電壓保護(hù)；電流監(jiān)控

作為一種直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)，音圈電機(jī)具有推力大、行程遠(yuǎn)、體積小、運(yùn)動(dòng)連續(xù)的特點(diǎn)[1][2]，采用合適的閉環(huán)控制方式和高精度的位移傳感器可以使運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到微米量級(jí)[3]?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于二維精密定位[4]，系統(tǒng)隔振[5]以及光學(xué)振動(dòng)臺(tái)[6]的設(shè)計(jì)中。音圈電機(jī)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(jī)區(qū)別較大[7][8][9]，通用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無法滿足音圈電機(jī)的應(yīng)用需求。另外，音圈電機(jī)是一種功率型器件，需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為其提供強(qiáng)大的功率，所以需要針對(duì)音圈電機(jī)的特點(diǎn)為其設(shè)計(jì)專用的驅(qū)動(dòng)模塊。

音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要包括：直流驅(qū)動(dòng)以及PWM方式驅(qū)動(dòng)。PWM驅(qū)動(dòng)方式目前是一種比較常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。但是，這種方式通常需要專用的芯片，價(jià)格較高[10][11]。另外，這種工作方式下的輸入輸出信號(hào)不滿足線性關(guān)系，會(huì)增加控制器的設(shè)計(jì)難度。而直流驅(qū)動(dòng)的方式則簡(jiǎn)單直觀，價(jià)格便宜，且輸入輸出信號(hào)滿足線性關(guān)系，可以簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)。文章針對(duì)音圈電機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種直流驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)電路的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。同時(shí)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電流監(jiān)控模塊以及保護(hù)電路，保障了電機(jī)及電路的正常工作。

1 音圈電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)電路原理簡(jiǎn)介

音圈電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖如圖1所示。

中的控制信號(hào)X（t），設(shè)計(jì)范圍為-5V～+5V。X（t）直接控制了音圈電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度以及運(yùn)動(dòng)方向。將控制信號(hào)X（t）輸入到反相輸入比例運(yùn)算電路，控制信號(hào)將被放大Auf1倍，則反相放大器1的輸出信號(hào)為

（1）

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

UO2=Auf2UO1=Auf1Suf2X（t） （2）

通過電路的設(shè)計(jì)使得反相放大器2的放大系數(shù)為-1，即Auf1=-1，則有

UO2-Auf1Auf2X（t）=-Auf1X（t） （3）

將Uo2接到音圈電機(jī)負(fù)端，那么音圈電機(jī)兩極之間的電壓差為

U=2|Auf1|X（t） （4）

電壓差U即為驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)的電壓。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是，該電壓U要小于音圈電機(jī)所能承受的最大電壓。以BEI公司生產(chǎn)的LA28-13-000A型音圈電機(jī)為例，其在最大推力條件下的驅(qū)動(dòng)電壓為29.7V，電流為6.19A。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需注意，音圈電機(jī)兩極間所允許的最大電壓差不超過29.7V，即音圈電機(jī)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(dāng)連接在音圈電機(jī)兩端的電壓差值發(fā)生變化時(shí)，音圈電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度及方向也隨之變化。

2 驅(qū)動(dòng)電路的組成

音圈電機(jī)直流驅(qū)動(dòng)電路主要包括三部分：反向輸入比例運(yùn)算電路、電流監(jiān)控模塊以及電路保護(hù)模塊。其中，電流監(jiān)控模塊用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)音圈電機(jī)中電流的大小，防止電流過大對(duì)電機(jī)造成損壞，而電路保護(hù)模塊主要克服反電動(dòng)勢(shì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響。

2.1 反相輸入比例運(yùn)算電路

反相輸入比例運(yùn)算電路是一種電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。其基本電路如圖2（a）所示。根據(jù)“虛短”“虛斷”和“虛地”的概念，因此，反相放大器的放大系數(shù)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(gè)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，因此，有必要在運(yùn)算放大器的反相端加一個(gè)濾波電容C1和電阻R2，用以濾除控制信號(hào)中的高頻噪聲的影響，如圖2（b）所示。

集成運(yùn)放的輸入級(jí)是差動(dòng)放大電路，考慮到兩輸入回路參數(shù)對(duì)稱，需要在同相輸入端加補(bǔ)償電阻RO=R1//Rf。

2.2 電路過壓保護(hù)模塊

為了使得電路不受音圈電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)影響，需將音圈電機(jī)兩端的反電勢(shì)控制在一定的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)如圖3虛框中所示的保護(hù)電路。

反相輸入比例運(yùn)算電路中的運(yùn)算放大器采用±12V供電。當(dāng)音圈電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)大于±12V時(shí)，會(huì)有反向電流流入運(yùn)放，擊穿晶體管，損壞運(yùn)算放大器。在音圈電機(jī)的兩個(gè)電極間，通過二極管分別連接到+12V和-12V的電壓，理想狀態(tài)下，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)大于+12V時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，+12V電壓會(huì)引至Motor+端，反向電流會(huì)流向+12V，而不會(huì)回流進(jìn)入運(yùn)放，從而起到保護(hù)集成運(yùn)放的目的。同理，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)小于-12V時(shí)，Motor-的電壓會(huì)被限定在-12V。實(shí)際上，二極管具有死區(qū)電壓，通常硅二極管死區(qū)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(dǎo)通，則需在原有12V的基礎(chǔ)上，將電壓再升高死區(qū)電壓的幅度，這樣會(huì)對(duì)電路造成一定危險(xiǎn)。在應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)選擇導(dǎo)通電壓較小的二極管，從而達(dá)到更好保護(hù)電路的目的。

2.3 電流監(jiān)控模塊

在驅(qū)動(dòng)電路中加裝電流監(jiān)控裝置的目的在于，為外界提供一個(gè)可參考的電流信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)直接反映音圈電機(jī)的運(yùn)行情況，監(jiān)控可能發(fā)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(gè)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(shè)法測(cè)得ΔU，就可計(jì)算獲得I的值。

在R5兩端對(duì)應(yīng)的Motor-和Sense端并聯(lián)如圖4（b）所示的電路?？蓽y(cè)得Feedback端的對(duì)地電壓UF。在運(yùn)算放大器同相端，可得

（9）

Motor-端流過的電流為

在運(yùn)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(jiān)測(cè)Feedback端的對(duì)地電壓，經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)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(jī)的運(yùn)行情況，當(dāng)電流過大時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電源，以免對(duì)電路板、音圈電機(jī)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(gè)區(qū)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(hù)電路部分、電流監(jiān)控裝置部分。制作的PCB板如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由Labview數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出信號(hào)通過示波器進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)中輸入信號(hào)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(hào)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(hào)，每小格電壓為2.00V。通過調(diào)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(shù)為-2，反相放大器2的放大系數(shù)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(hào)波明顯有一定的噪聲，波形不平滑，而輸出信號(hào)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(duì)比 （b） X（t）與Uo2的對(duì)比

在驅(qū)動(dòng)電路正常運(yùn)行中，將示波器的探頭CH1和CH2分別與Motor+和Motor-相接，對(duì)比兩路信號(hào)，觀察兩路信號(hào)幅值、頻率、相位關(guān)系。運(yùn)行示波器的運(yùn)算功能，調(diào)節(jié)至減法運(yùn)算選項(xiàng)“CH1-CH2”。記錄的波形如圖9所示。

兩個(gè)反相放大器的輸出信號(hào)即為電機(jī)兩極的控制信號(hào)Uo1、Uo2。兩個(gè)信號(hào)的幅值都在2V左右，相位相反。作用于電機(jī)上的電壓即為兩路信號(hào)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(dāng)于控制信號(hào)X（t）的4倍，也即輸入信號(hào)放大了4倍。

5 結(jié)束語

文章根據(jù)音圈電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種直流驅(qū)動(dòng)電路。該電路通過對(duì)輸入音圈電機(jī)正負(fù)端的電壓信號(hào)分別進(jìn)行正向和反向放大來對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了克服反電動(dòng)勢(shì)以及電流過大的影響，文中還介紹了過壓保護(hù)電路以及電流監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)原理，并制作了相應(yīng)的PCB板。過壓保護(hù)以及電流監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)保證了電機(jī)及相關(guān)電路的正常工作運(yùn)行。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路已成功運(yùn)用于音圈電機(jī)的控制中。

參考文獻(xiàn)

[1]張大衛(wèi)，馮曉梅.音圈電機(jī)的技術(shù)原理[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（3）：224-228.