一種微型直線壓電電動機(jī)及其驅(qū)動設(shè)計

邵東明，王炅，唐玉娟，佟雪梅

（南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁電動機(jī)已不能滿足在小型或微型領(lǐng)域的要求。研究表明，當(dāng)直徑小于6 mm時，電磁電動機(jī)效率顯著下降［1］。并且由于電磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較高，需要配套相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)，而這無疑會進(jìn)一步的降低電動機(jī)的輸出效率并增加整個驅(qū)動機(jī)構(gòu)的尺寸大小。壓電電動機(jī)在小型化方面具有電磁電動機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，其機(jī)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活，可以根據(jù)需求輸出不同形式的運(yùn)動，如轉(zhuǎn)動、步進(jìn)和直線運(yùn)動。壓電電動機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制成的新型驅(qū)動器，突破了傳統(tǒng)的電磁電動機(jī)的概念，無電樞繞組和磁路，不依靠電磁的相互作用來轉(zhuǎn)換能量［2］。它由定子、轉(zhuǎn)子（滑塊）、壓電陶瓷片以及施加預(yù)壓力的機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)子之間的摩擦耦合作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子（滑塊）運(yùn)動。壓電電動機(jī)的主要特點(diǎn)有:1）低速大轉(zhuǎn)矩，不需減速機(jī)構(gòu);2）響應(yīng)速度快，僅毫秒級;3）定位精度高，能實(shí)現(xiàn)微米級甚至納米級的定位精度;4）不產(chǎn)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(jī)SQL squiggle。其結(jié)構(gòu)尺寸為2.8×2.8×6 mm，定位精度達(dá)亞微米級，可方便的集成應(yīng)用于數(shù)碼設(shè)備、微型醫(yī)療制動器、微型光學(xué)模塊等產(chǎn)品中。

1 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動機(jī)理

1.1 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式

電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動機(jī)由螺桿（轉(zhuǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)形式

1.2 電動機(jī)的運(yùn)動機(jī)理

a）逆壓電效應(yīng)

以感應(yīng)的方式傳遞外電場的作用和影響的材料叫做電介質(zhì)材料。在電介質(zhì)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(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致壓電材料的伸長或者收縮應(yīng)變，應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)［4］。

b）電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

“呼啦圈”運(yùn)動是多數(shù)人都熟悉的運(yùn)動，人體只要恰當(dāng)?shù)呐友浚蜁购衾踩ρ刂梭w上升、下降或者停留在某處。該壓電電動機(jī)的運(yùn)動機(jī)理與“呼啦圈”運(yùn)動類似，當(dāng)螺母做沿著軸線周期性彎曲振動時，螺桿便會產(chǎn)生相對于螺母的運(yùn)動［5］。

沿軸向施加一個很小的預(yù)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(qū)動螺桿轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yùn)動的運(yùn)動軌跡。

如圖2所示，在電動機(jī)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(yīng)使得壓電陶瓷產(chǎn)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(qū)動信號會使相對的兩塊陶瓷片產(chǎn)生方向相反的應(yīng)變。相反的d31應(yīng)變傳遞到螺母的表面并使得螺母產(chǎn)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(yīng)變被整個機(jī)械結(jié)構(gòu)放大。在兩相交流信號的激勵下，電動機(jī)四個表面的陶瓷片交替產(chǎn)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(yù)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(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動并轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。

圖2 兩相電機(jī)驅(qū)動信號

2 驅(qū)動方案設(shè)計

由電動機(jī)的運(yùn)動機(jī)理可以知道，只要在壓電陶瓷片上施加相應(yīng)的交流信號，便可激發(fā)出螺母的一階彎曲模態(tài)，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動。

選用NSD-2101 ASIC（專用集成電路）作為驅(qū)動芯片，C8051F300單片機(jī)作為控制芯片。單片機(jī)向驅(qū)動芯片發(fā)出相應(yīng)的指令，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率、幅度、占空比等參數(shù)，從而可以控制電動機(jī)的運(yùn)動速度、運(yùn)動距離等。控制芯片和驅(qū)動芯片通過I2C串行總線進(jìn)行通信。總體方案形式如圖4所示。

圖3 電機(jī)的振動形式

圖4 電動機(jī)的驅(qū)動控制方案

2.1 NSD－2101驅(qū)動芯片

NSD-2101是針對SQL-RV squiggle電動機(jī)設(shè)計的壓電電動機(jī)專用驅(qū)動集成芯片，是工業(yè)上最小的壓電電動機(jī)驅(qū)動方案。NSD-2101驅(qū)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(zhuǎn)換成高頻交流電壓信號，直接驅(qū)動SQL-RV squiggle電動機(jī)運(yùn)動，不需要配套升壓電路，降低了壓電電動機(jī)對驅(qū)動電路的苛刻要求，廣泛的提高了電動機(jī)的應(yīng)用范圍［6］。NSD-2101功能結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

由圖5可以看出，驅(qū)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(qū)動模塊。輸入電壓直接提供在全橋驅(qū)動上，通過全橋驅(qū)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(diào)節(jié)。通過I2C接口調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率周期或者脈沖寬度都可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。電動機(jī)的轉(zhuǎn)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(shè)置不同寄存器的值。這些寄存器可以控制驅(qū)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(jī)上的平均電壓。I2C寄存器可根據(jù)電動機(jī)的類型在50 kHz到200 kHz之間調(diào)整電動機(jī)的驅(qū)動頻率。通過對寄存器的寫操作還可以改變電動機(jī)的運(yùn)動方向（通過改變驅(qū)動信號相位差）和精確控制電動機(jī)的運(yùn)動距離（通過改變電動機(jī)驅(qū)動方波信號的脈沖數(shù)）。

XPD引腳高電平觸發(fā)待機(jī)模式，在電動機(jī)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(tǒng)處于待機(jī)模式，從而降低整個系統(tǒng)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(dāng)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(shù)據(jù)線和串行時鐘線。

P1-1，P1-2，P1-3，P1-4為輸出驅(qū)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(jī)的壓電陶瓷片上，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)動。

2.2 C8051F300控制芯片

C8051F300器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)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(shè)計者在提高系統(tǒng)性能的同時，大大減少所需原件的數(shù)目。與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的805X的編譯器和匯編器進(jìn)行軟件開發(fā)［7］。對C8051F300單片機(jī)進(jìn)行編程，向NSD-2101芯片的相應(yīng)寄存器寫入相關(guān)的數(shù)據(jù)，即可方便的實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的控制，如控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、運(yùn)動方向、運(yùn)動距離等。完整的寄存器功能信息可參閱《NSD-2101壓電電動機(jī)專用驅(qū)動芯片數(shù)據(jù)手冊》。

根據(jù)以上方案設(shè)計制作了電動機(jī)的驅(qū)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(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的驅(qū)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(jié)語

分析了一種微型直線壓電電動機(jī)的運(yùn)動機(jī)理，并針對該電動機(jī)設(shè)計了驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的驅(qū)動及對其運(yùn)動狀態(tài)的控制，如電動機(jī)的運(yùn)動速度、行進(jìn)距離等，證明了提出的方案的可行性，對電動機(jī)在精密驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)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(jì)的超聲電機(jī)技術(shù)［J］.中國工程科學(xué)，2002，4（2）:86-91.

［3］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］張福學(xué)，王麗坤.現(xiàn)代壓電學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［5］周鐵英，張筠，陳宇.螺母型超聲電機(jī)及其在透鏡調(diào)焦中的應(yīng)用［J］.科學(xué)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(jī)應(yīng)用解析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:1-20.