Драйвер для пьезоэлектрического двигателя

Двигатель в электронике это не только электромотор. Уникальные возможности можно получить, если в некоторых приложениях использовать пьезоэлектрический привод. Но такой привод имеет существенные особенности, из-за которых классические драйверы к нему нее подойдут. В статье приведены примеры схем управления пьезоприводами
3076
В избранное

Для большинства инженеров простой термин «двигатель» означает одно: электромагнитное вращающееся устройство. Инженеры, которым нужно линейное, а не вращательное движение, рассматривают обычно  возможность добавления какого-либо механического рычага или использование электромагнитного двигателя с линейной индукцией. Однако обычный электромагнитный двигатель - вращающийся или линейный, большой или маленький - часто не является лучшим выбором для точного, небольшого линейного движения из-за проблем в управлении, механических допусках, люфте и других электрических и механических проблем. К счастью, существует очень жизнеспособная альтернатива: пьезоэлектрический двигатель, который широко используется в самых разных областях, где требуется точный контроль небольших диапазонов линейного движения.

Драйвер для пьезоэлектрического двигателя

Что такое пьезоэлектрический двигатель

Этот нетрадиционный двигатель основан на хорошо известном и широко используемом пьезоэлектрическом эффекте. При этом эффекте, когда кристаллический материал подвергается механическому напряжению (сжатию), он генерирует напряжение; когда напряжение подается на тот же кристалл, материал расширяется. Эта пара пьезоэлектрических свойств была с большим успехом использована в классическом кварцевом резонаторе, который являлся источником тактовой частоты в течение почти 100 лет (хотя осцилляторы на основе MEMS технологии становятся в последние годы заметной альтернативой).

В пьезоэлектрическом двигателе электрическое поле (напряжение) прикладывается к кристаллическому материалу, и материал немного растягивается (стандартное изменение размера обычно составляет величину порядка 0,01–0,1 процента от размера в состоянии покоя). Размер двигателя, как правило, очень небольшой (и это одно из их многочисленных достоинств) по сравнению с альтернативными решениями и обычно не превышает 10 мм в каждом измерении (хотя есть и более крупные), амплитуда перемещения имеет порядок микрон с возможностью создать усилие порядка ньютона. Большего удлинения с большим усилием можно достичь, сложив и запустив несколько пьезоэлектрических кристаллов как единое целое.

Это физическое удлинение можно использовать двумя способами. В одном варианте ротор может поочередно толкаться, а затем освобождаться с помощью набора крошечных пьезо-актуаторов, как показано на рис. 1.

При соответствующем моменте сжатия и раширения, двигатель может вращаться с крошечными приращениями (1 корпус, 2 движущиеся кристаллы, 3 фиксирующие кристаллы, 4 вращающейся элемент)
Рис. 1. При соответствующем моменте сжатия и раширения, двигатель может вращаться с крошечными приращениями (1 корпус, 2 движущиеся кристаллы, 3 фиксирующие кристаллы, 4 вращающейся элемент)

В качестве альтернативы, один конец кристалла может быть зафиксирован на месте, позволяя другому концу перемещаться назад и вперед при подаче и снятии напряжения, что приводит к движению поршня (рис. 2). Массив из нескольких пьезодвигателей также может быть расположен по кругу для обеспечения вращательного движения, хотя их основное использование - линейное движение.

 С одним зафиксированным концом пьезодвигатель становится точным поршнем с высокой степенью управляемости

Рис. 2. С одним зафиксированным концом пьезодвигатель становится точным поршнем с высокой степенью управляемости

Пьезоэлектрический эффект используется в инфузионных насосах, микроскопах, оптических установках, измерительных приборах, струйных соплах и т. д.; недорогие, простые пьезоэлементы используются для ультразвуковых дальномеров, пищалок и даже небольших громкоговорителей, но эти применения предъявляют более низкие требования к производительности. Пьезодвигатели могут быть очень быстрыми, могут достигать диапазона нескольких кГц, что невозможно с электромагнитными двигателями, и являются точными, воспроизводимыми и управляемыми. Кроме того, они чистые, не требуют подшипников, смазки, которая может вызвать загрязнение, и их неметаллическая природа также является преимуществом во многих ситуациях (и может даже быть необходимостью, как в МРТ установках).

Драйверы имеют значение

Как и в случае с электромагнитными двигателями, узел пьезодвигателя состоит из трех частей: электронного драйвера, самого электромеханического преобразователя (двигателя) и обратной связи. Мы сосредоточимся на электронике драйвера.

Для электромагнитных двигателей функция драйвера состоит в управлении током в электромагнитных катушках, что обычно выполняется с использованием силовых полупроводников (MOSFET или IGBT). Эти силовые устройства управляются драйверами, которые включают и выключают их в нужное время с соответствующей скоростью нарастания, и они должны подавать/ забирать требуемый ток в свои индуктивные нагрузки. Напряжение, которое подается на выходной каскад MOSFET или IGBT, необходимо для создания требуемого тока в катушках, но именно ток обеспечивает электромагнитную силу в обмотках двигателя.

Для пьезоприводов ситуация совсем иная. Вместо тока возбуждения драйвер должен подавать относительно высокое напряжение для создания электрического поля, а ток является вторичным фактором, сопровождающим это приложенное напряжение. Таким образом, сценарий работы пьезоэлектрического двигателя существенно отличается от электромоторов, где требуется управление током, а следствием является напряжение; здесь напряжение - это то, что нужно, а ток - это следствие. Пьезодрайвер должен подавать необходимое напряжение (не ток) в емкостную (не индуктивную) нагрузку, и он должен контролировать и модулировать это напряжение, чтобы вызвать желаемое удлинение кристалла. Другими словами, если ток является независимым параметром, а напряжение - зависимым параметром для обычных двигателей, то для пьезодвигателей ситуация противоположная.

Необходимые уровни напряжения (и следовательно тока) пьезодвигателя определяются размерами пьезоэлектрического элемента, предполагаемого удлинения и скорости движения. Бюджетные двигатели обычно требуют напряжения 20 - 30 В и тока 10 - 30 мА, соответственно, большинство высокопроизводительных пьезоэлементов управляется напряжением минимум от 10 В и током от 10 до нескольких сотен миллиампер, а есть пьезодвигатели, использующие напряжение 1000 В и выше с током от нескольких ампер.

Именно на такие уровни напряжения при умеренных токах надо рассчитывать при проектировании драйверов пьезомоторов, что часто является проблемой при разработке схемы. Кроме того, драйвер должен оставаться стабильным несмотря на емкостную природу нагрузки, величина которой может составлять 1000 пФ (1 нФ) и более. Нужно еще учесть, что для правильной работы пьезоэлемента требуется дифференциальный биполярный выходной сигнал драйвера.

Одна из существенных сложностей при проектировании драйверов состоит в том, что поскольку эти двигатели работают при более высоких напряжениях, возникают проблемы безопасности пользователя, физической изоляции и защиты от напряжений, а также требования, определяющие минимальные размеры и зазоры, которые являются функцией уровня напряжения. Поэтому любая схема драйвера для пьезодвигателя должна учитывать эти особенности компоновки и размещения в дополнение к необходимым электрическим характеристикам схемы. Также обратите внимание, что использование высокого напряжения и небольшого тока не является уникальным требованием для пьезоэлектрических устройств, так как многие научные и коммерческие продукты нуждаются в такой же комбинации, например, неоновые лампы, специальные вакуумные лампы, электрометры и оптическое оборудование.

Варианты дизайна драйвера

Получение относительно высоких напряжений, необходимых для пьезодрайверов, является проблемой во многих случаях, потому что большинство интегральных микросхем усилителей – низковольтные устройства, а  высоковольтные узлы на полевых транзисторах или IGBT обычно оптимизируются для управления током, а не напряжением привода. Существует ряд специализированных операционных усилителей, которые предназначены для управления пьезоэлементами при более высоких токах и напряжениях, изготовленных по специальной технологии и гибридных устройств, которые объединяют обычные операционные усилители с высоковольтными транзисторами на своем выходе.

В принципе, можно создать элементарный высоковольтный драйвер, используя только транзистор с адекватным номинальным напряжением (рис. 3 ). Однако такой конструкции будет не хватать точности, управляемости и стабильности, которая требуется для высокопроизводительного пьезодрайвера, и в нем не будет предусмотрена функция защиты в случае отказа. Кроме того, он не способен формировать биполярный выходной сигнал. Следовательно, эта схема подходит только для несложных задач, таких как пьезозуммер или дальномер.

Хотя пьезоэлементом можно управлять с помощью обычного  транзистора, такая схема подходит только для простых задач, таких как зуммеры на пьезоэлектрической основе

Рис. 3. Хотя пьезоэлементом можно управлять с помощью обычного  транзистора, такая схема подходит только для простых задач, таких как зуммеры на пьезоэлектрической основе

К счастью, производители разработали интегральные схемы, специально оптимизированные для управления пьезоприводом и упрощающие задачу разработки, добавив в них необходимые функции, включая управление дифференциальным высоковольтным сигналом. Эти микросхемы также обеспечивают защиту от перегрева, перегрузки и короткого замыкания, что необходимо при создании устройства.

Analog Devices

Например, Analog Devices предлагает ADA4700-1 , высоковольтный прецизионный усилитель с широким диапазоном рабочих напряжений (от ± 5 до ± 50 В). Хотя эта микросхема в корпусе SOIC с восемью выводами выглядит как стандартный операционный усилитель, она оптимизирована для обеспечения выходного сигнала с высокой скоростью нарастания при емкостной нагрузке, оставаясь при этом в стабильном режиме (рис. 4). Работа драйвера гарантируется в широком спектре рабочих режимов (например, при различных напряжениях, нагрузках, температурах, уровнях искажений и перерегулировании), в документации приведено порядка 60 графиков работы в различных сценариях.

Высоковольтный прецизионный усилитель ADA4700-1 имеет тщательно заданные характеристики скорости нарастания

Рис. 4. Высоковольтный прецизионный усилитель ADA4700-1 имеет тщательно заданные характеристики скорости нарастания

ADA4700-1 устойчиво работает с минимальным перерегулированием при управлении емкостными нагрузками, но дополнительная компенсация поможет улучшить реакцию при управлении большими емкостями. Для этого требуется небольшая демпфирующая цепь, для реализации схемы с единичным усилением и емкостных нагрузок до 1 нФ (1000 пФ) достаточно резистора 150 Ом и конденсатора 10 нФ (рис. 5). Для больших нагрузок до 10 нФ и более высоких коэффициентов усиления, таких как десятикратное, резистор уменьшается до 22 Ом, а конденсатор увеличивается до 100 нФ. Наконец, величину выходного тока можно увеличить, добавив внешнюю пару дополнительных (PNP/ NPN) транзисторов (рис. 6).

Для управления высокоемкостными нагрузками в ADA4700-1 добавлена простая внешняя схема демпфирования RC

Рис. 5. Для управления высокоемкостными нагрузками в ADA4700-1 добавлена простая внешняя схема демпфирования RC

Если требуется дополнительный выходной ток, пара транзисторов PNP / NPN добавляется к выходу ADA4700-1

Рис. 6. Если требуется дополнительный выходной ток, пара транзисторов PNP / NPN добавляется к выходу ADA4700-1

Texas Instruments

Texas Instruments также предлагает микросхемы, которые хорошо подходят для пьезоэлектрических нагрузок. Их пьезотактильный драйвер DRV8662 со встроенным повышающим преобразователем включает в себя множество полезных функций, включая повышающий преобразователь с напряжением до 105 В (рис. 7), при напряжении питания от 3,0 до 5,5 В. Выходное напряжение задается с помощью двух внешних резисторов, а коэффициент усиления может быть установлен на одно из четырех значений с использованием двух управляющих сигналов.

DRV8662 - это пьезодрайвер, предназначенный для тактильных приложений, который выдает напряжение более 100 В при питании от низковольтного источника питания

Рис. 7. DRV8662 - это пьезодрайвер, предназначенный для тактильных приложений, который выдает напряжение более 100 В при питании от низковольтного источника питания

Драйвер обеспечивает напряжение 200Vpp при емкости 100nF, напряжение 150Vpp при емкости 150nF, напряжение 100Vpp при емкости 330nF и напряжение 50Vpp при емкости 680nF при частоте сигнала 300 Гц. Несмотря на свою внутреннюю сложность, эта микросхема в корпусе QFN-20 размером 4х4 мм проста в использовании, что видно из стандартной схемы ее включения (рис. 8).

Несмотря на свою внутреннюю сложность, для использования DRV8662 в схеме требуется всего несколько внешних компонентов для установки основных рабочих параметров

Рис. 8. Несмотря на свою внутреннюю сложность, для использования DRV8662 в схеме требуется всего несколько внешних компонентов для установки основных рабочих параметров

Microchip

Большинство производителей драйверов пьезоэлементов не просто выпускают микросхемы и готовят документацию для их использования, но и производят модули типовых решений. Например, Microchip Technology предлагает конструкцию микронасоса на пьезомоторе для перекачки жидкости. Решение включает в себя блок-схему (рис. 9), код, принципиальную схему и трассировку печатной платы, а также готовое решение низковольтной системы питания зарядного устройства, микроконтроллера и других компонентов и высоковольтной  секции, которая управляет пьезоэлектрическим насосом.

Блок схема типового решения пьезоэлектрического насоса от Microchip Technology

Рис. 9. Блок схема типового решения пьезоэлектрического насоса от Microchip Technology

Устройство использует пару микросхем для реализации высоковольтной секции (рис. 10) и способна выдавать напряжение до 250 Вpp при максимальной частоте 300 Гц. Конструкция основана на повышающем DC/DC преобразователе HV9150, работающем с высоковольтным драйвером HV913. Повышающий преобразователь формирует напряжение 250 В из низковольтной шины питания, которое затем используется микросхемой драйвера для приведения в действие пьезоэлектрического микронасоса. Драйвер обеспечивает высоковольтный однополярный двухтактный выход, а микросхема контроллера генерирует серию импульсов для возбуждения пьезоэлектрического элемента. Типовое решение - это не просто бумажная концепция, это реально собранный и протестированный модуль (рис. 11).

Схема питания необходимая для работы пьезоэлектрического насоса

Рис. 10. Схема питания необходимая для работы пьезоэлектрического насоса

Контроллер пьезоэлектрического микронасоса

Рис. 11. Контроллер пьезоэлектрического микронасоса

Выводы

Пьезоэлектрические двигатели являются эффективным решением для многих задач, связанных с микродвижением, где требуется минимальное линейное движение и точное управление. Они могут заменить электромагнитные роторные и линейные двигатели во многих приложениях и предлагают превосходную производительность и некоторые уникальные характеристики, которые не могут обеспечить обычные двигатели. Но конструкция драйвера для этих моторов имеет существенные отличия от драйверов электродвигателей из-за требований к управлению высоким напряжением (а не током) и емкостной, а не индуктивной нагрузки.

Стандартные операционные усилители могут использоваться с соответствующими внешними транзисторами, чтобы обеспечить комбинацию высокого напряжения и небольшого тока. Кроме того, производители микросхем предлагают специализированные устройства, которые оптимизированы для управления пьезоэлементами и включают в себя дополнительные функции, такие как улучшенное управление выходным каскадом, тепловую защиту, защиту от короткого замыкания и многое другое, что упрощает конструкцию при одновременном улучшении характеристик.

Источникhttps://ru.mouser.com

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
DRV8662RGPR
DRV8662RGPR
Texas Instruments
Арт.: 819966 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 1305 шт. от 1 шт. от 287,45
Выбрать
условия
поставки
IC MOTOR DRIVER 3V-5.5V 20QFN
DRV8662RGPR от 1 шт. от 287,45
1305 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DRV8662RGPT
DRV8662RGPT
Texas Instruments
Арт.: 821837 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 1130 шт. от 1 шт. от 331,96
Выбрать
условия
поставки
PIEZO HAPTIC DRIVER, 5.5V, QFN-20, FULL
DRV8662RGPT от 1 шт. от 331,96
1130 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADA4700-1ARDZ
ADA4700-1ARDZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1350367 ИНФО PDF RD
Доступно: 673 шт. от 1 шт. от 564,58
Выбрать
условия
поставки
IC, OP AMP, 3.5MHZ, 20VUS, 200UV, SOIC-8
ADA4700-1ARDZ от 1 шт. от 564,58
673 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Microchip Technology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
HV9150K6-G
HV9150K6-G
Microchip Technology Inc.
Арт.: 2652487 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2321 шт. от 1 шт. от 163,73
Выбрать
условия
поставки
Switching Controllers HV Output Hysteretic DC/DC Controller
HV9150K6-G от 1 шт. от 163,73
2321 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()