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)動電路。該電路基于反相放大的原理,實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動信號的雙倍放大,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)反電動勢對電路本身的影響,防止損壞電路。為避免驅(qū)動電壓過大對電機(jī)造成損壞,設(shè)計(jì)了電流監(jiān)控模塊。當(dāng)驅(qū)動電流過大時(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)對電機(jī)的驅(qū)動,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)動電路;電壓保護(hù);電流監(jiān)控
作為一種直線運(yùn)動電機(jī),音圈電機(jī)具有推力大、行程遠(yuǎn)、體積小、運(yùn)動連續(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)動精度達(dá)到微米量級[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)振動臺[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)動系統(tǒng)為其提供強(qiáng)大的功率,所以需要針對音圈電機(jī)的特點(diǎn)為其設(shè)計(jì)專用的驅(qū)動模塊。
音圈電機(jī)的驅(qū)動方式主要包括:直流驅(qū)動以及PWM方式驅(qū)動。PWM驅(qū)動方式目前是一種比較常見的電機(jī)驅(qū)動方式。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不滿足線性關(guān)系,會增加控制器的設(shè)計(jì)難度。而直流驅(qū)動的方式則簡單直觀,價(jià)格便宜,且輸入輸出信號滿足線性關(guān)系,可以簡化控制器的設(shè)計(jì)。文章針對音圈電機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種直流驅(qū)動電路,并對電路的原理進(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)動電路原理簡介
音圈電機(jī)直流驅(qū)動電路的原理框圖如圖1所示。
中的控制信號X(t),設(shè)計(jì)范圍為-5V~+5V。X(t)直接控制了音圈電機(jī)動子的運(yùn)動速度以及運(yùn)動方向。將控制信號X(t)輸入到反相輸入比例運(yùn)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(jī)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(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)動子的運(yùn)動速度及方向也隨之變化。
2 驅(qū)動電路的組成
音圈電機(jī)直流驅(qū)動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)測音圈電機(jī)中電流的大小,防止電流過大對電機(jī)造成損壞,而電路保護(hù)模塊主要克服反電動勢對驅(qū)動電路的影響。
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,用以濾除控制信號中的高頻噪聲的影響,如圖2(b)所示。
集成運(yùn)放的輸入級是差動放大電路,考慮到兩輸入回路參數(shù)對稱,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)反電動勢影響,需將音圈電機(jī)兩端的反電勢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)的反電動勢大于±12V時(shí),會有反向電流流入運(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)反電動勢大于+12V時(shí),二極管D1導(dǎo)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(jìn)入運(yùn)放,從而起到保護(hù)集成運(yùn)放的目的。同理,當(dāng)反電動勢小于-12V時(shí),Motor-的電壓會被限定在-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,這樣會對電路造成一定危險(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,這個(gè)電流信號直接反映音圈電機(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)法測得ΔU,就可計(jì)算獲得I的值。
在R5兩端對應(yīng)的Motor-和Sense端并聯(lián)如圖4(b)所示的電路??蓽y得Feedback端的對地電壓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Feedback端的對地電壓,經(jīng)過簡單計(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)動電源,以免對電路板、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)動信號由Labview數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生,電機(jī)驅(qū)動模塊的輸出信號通過示波器進(jìn)行檢測。
實(shí)驗(yàn)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(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??刂菩盘柌黠@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(qū)動電路正常運(yùn)行中,將示波器的探頭CH1和CH2分別與Motor+和Motor-相接,對比兩路信號,觀察兩路信號幅值、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即為電機(jī)兩極的控制信號Uo1、Uo2。兩個(gè)信號的幅值都在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X(t)的4倍,也即輸入信號放大了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)動電路。該電路通過對輸入音圈電機(jī)正負(fù)端的電壓信號分別進(jìn)行正向和反向放大來對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)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(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.