基于DSP的压电马达驱动电路设计

孟照魁，耿晓珂，李慧鹏

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191）

0 引言

在保偏光纤对轴过程中，偏振轴的检测、光纤三维定位以及高精度旋转都会影响保偏光纤的对轴精度。其中，光纤的三维精确定位需要高精度的微位移机构。传统的定位系统常常采用电机驱动精密丝杠的方式实现，因为摩擦和间隙的存在会降低系统的性能和精度，系统的稳定性也会降低，而且体积较大。故本文采用基于压电马达的高精度微位移结构代替传统步进电机驱动的光纤调整结构，提升保偏光纤对轴平台的精度。

压电马达（PZM）是一种新型的驱动电机，它的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过激发定子在超声频段内的微观振动，利用摩擦传动的原理，将其转换成动子的直线运动。与传统的电磁电机相比，压电马达具有体积小、质量轻、功率密度大、低速大扭矩、动态响应快、断电自锁等优点，已被广泛应用在家庭办公、医疗、智能机器人、航空航天、精密微动机构等领域［1-4］。

由于压电马达特殊的工作原理，其外加的驱动信号也有特定的要求，压电马达的驱动电压一般在300V（峰峰值）以上，驱动频率在20kHz～100kHz之间。不同的压电马达具有不同的电压工作范围和最佳工作频率，因而，压电马达的驱动电路不仅要能够输出高频高压信号，而且其频率、幅值都应该是可调的。传统的驱动电路多是利用变压器来实现电压升压，但这种设计通用性差，并且变压器的体积阻碍了驱动电路的小型化。本文通过对压电马达等效电路的分析，利用LC谐振升压原理设计驱动电路，省去体积庞大的变压器，减小驱动电路的面积，从而实现光纤对轴系统的小型化设计［5-8］。

1 压电马达

1.1 压电马达等效电路

压电马达是一种利用弯纵振动模态的单驱动超声电机，通过把激励信号加载到不同电极的两端实现压电马达正反向运动［9］。压电马达一般工作在谐振频率附近，可以用图1的等效电路来代替。其中，Cd是压电陶瓷介电性能引起的夹持电容，Lm是定子质量效应的等效电感，Cm是定子弹性效应的等效电容，Rm是定子内机械损耗的等效电阻。在不改变外特性的前提下，可将压电马达的等效电路简化为RC并联电路。其各参数间的关系如下：

1.2 匹配电路

从压电马达等效电路的模型中可以得出压电马达的定子对外呈现容性，而输入到定子上的电压信号一般都含有高次谐波，这些高次谐波会对压电马达的运行特性产生不利影响，因此要在定子前加入阻抗匹配电路，使定子对外呈现阻性或者低感性。本文通过把压电马达并联在LC串联电路的电容两端，使压电马达定子和匹配电路组成谐振电路，此时电路谐振频率与压电马达的谐振点相同，匹配电路如图2所示。

压电马达定子和匹配电路组成的电路的阻抗为：

系统呈纯阻性的条件是：

其中，ωr＝ωs。

电感电容匹配电路的品质因数为：

在谐振电路中品质因数Q越大，滤波效果越好，升压效果越明显。通过改变匹配电路中L与C的值，用较低电压的输入电源谐振产生较高电压驱动压电马达，同时也可以改善电路的的滤波性能。

2 硬件电路设计

2.1 总体方案设计

硬件电路的总体方案如图3所示，系统以TMS320F28035为控制核心，TMS320F28035是TI公司C2000系列的DSP，它是专门面向电机控制、数字电源、白色家电设备、混合动力汽车电池和LED照明等成本敏感型应用的数字信号处理器；采用单电源供电，只要3.3V就可以稳定工作；具有3个32位通用CPU定时器；包含高达7个增强型PWM模块（ePWM），可以提供高分辨率（低至65ps）的占空比、周期以及相位控制；具有高达16路模拟输入通道以及高达12.5MSPS的12位ADC采样。

在驱动电路中，通过DSP的PWM模块产生一定频率的方波信号驱动全桥逆变实现功率放大，再经过LC谐振升压产生驱动信号，通过GPIO模块控制继电器的开关把驱动信号接通到压电马达的电极两端，实现压电马达的运动方向控制。DSP的驱动信号都加入了光耦隔离模块实现强弱电以及驱动控制电路间的隔离保护，同时，采样电路对压电马达的驱动信号进行采样反馈到DSP，实现电路保护［10-11］。

2.2 驱动电路

压电马达驱动电路的输入信号是DSP产生的PWM波，经过全桥逆变实现功率放大，产生频率和幅值一定的方波信号，然后利用LC谐振升压原理把方波转变成驱动压电马达的高压正弦信号。全桥逆变电路如图4所示，全桥电路中的4个MOSFET由IR2110S来驱动。IR2110S驱动电路输出级工作电源是一悬浮电源，通过自举原理由固定的电源提供，图中D1和D6为充电二极管；C2和C5为自举电容；R1、R3、R5和R7为栅极驱动电阻，以缓解器件开通过程中的过冲现象；D2、D4、D7和D9为反转的二极管，目的是加快MOSFET的关断；L和C是匹配电感和电容。驱动电路是整个电路模块的核心。

2.3 电路仿真

为了进一步验证驱动电路设计的准确性，利用Multisim仿真软件对驱动电路进行仿真分析，压电马达驱动电路仿真示意图如图5所示。图5中，L1为匹配电感，C1为匹配电容，S1、S2、S3、S4为MOSFET组成全桥逆变电路，Cd、Cm、Lm和Rm为压电马达等效电路。

对驱动电路仿真分析，通过固定匹配电路中电容值，改变电感来观测输出驱动信号。结果发现，在匹配电容为0.8mH～1.4mH时，最高电压能满足要求，在L＝1mH时驱动信号的电压幅值最大。此时，MOSFET驱动信号频率为50kHz，占空比为50%，C＝9.4nF。通过仿真发现驱动电路能够实现驱动压电马达的要求，仿真驱动波形如图6所示。

3 硬件实验

当匹配电路中的电感电容选定后，电路的谐振频率保持不变，因此可以通过改变驱动信号频率和占空比对压电马达进行控制。而压电马达的位移量与施加在其两端的交流电压大小成正比，本文通过调节输入方波信号的占空比可以实现压电马达驱动信号幅值的调节，故通过调节输入信号的占空比改变压电马达的运动速度。

本文采用TMS320F28035 DSP芯片，通过编程提供驱动全桥电路的4路PWM波信号，PWM信号如图7所示。由DSP产生的4路PWM波经过IR2110S驱动芯片，驱动MOSFET以上下互反，对角相同的驱动方式工作，达到驱动压电马达的目的。

压电马达的谐振频率为47.5kHz，匹配电感为L＝0.91mH，匹配电容为C＝9.4nF，PWM 信号的频率为47.5kHz，实验输出的波形如图8所示。在实际测试中，当输入PWM波的占空比为18%时，谐振驱动输出的峰峰值电压为300V以上，能驱动压电马达良好运行。实验证明，本文设计的压电马达驱动控制电路性能良好，运行稳定。

4 结论

本文设计了一种基于压电马达的精密微位移机构驱动电路，系统以DSP TMS320F28035为控制核心，驱动电路采用全桥逆变电路实现功率放大和LC谐振生成高频高压正弦波驱动信号。利用Multisim软件对匹配电路仿真分析，通过调节电路中电感和电容，实现驱动压电马达的要求。压电马达的速度控制是通过调节输入信号的占空比来实现的。实验证明驱动电路能够满足驱动压电马达的要求，在此基础上提高保偏光纤对轴中的定位精度，进而实现对轴系统的小型化。