Специализированный драйвер 150-вольтового пьезоэлектрического двигателя на низковольтном операционном усилителе

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2014

Alan Stummer

Electronic Design

Пьезоэлектрический двигатель – это линейный мотор с двунаправленным движением. (Оставим это утверждение на совести автора – Ред.). Для сцепления с якорем в нем используется трение, возникающее, когда нарастающее напряжение деформирует пьезоэлектрический материал и перемещает ротор. Затем напряжение быстро снимается.

За счет пружинящих свойств материала он отрывается от якоря и возвращается в исходное положение, а якорь остается в новом положении, переместившись на несколько микрон вдоль направляющих. Повторяйте это тысячи раз с частотой порядка килогерца. Хотя каждое смещение очень мало, внимательно приглядевшись, через пару секунд вы заметите, что якорь изменил положение. (Признаюсь, до того, как меня попросили разработать драйвер, я ничего не слышал о пьезодвигателях).

Управляющая схема формирует пилообразные сигналы двух видов. Один, с плавным линейным нарастанием и быстрым спадом – для перемещения вперед, другой, симметричный относительно первого – для движения назад. Это сделано с помощью генератора напряжения треугольной формы частотой 1 кГц и диодов, включающихся для уменьшения времени нарастания переднего или заднего фронтов примерно до 5% от длительности цикла. Драйверу необходимая очень узкая полоса частот от 10 до 15 кГц.

Проблемы здесь создает только напряжение. Хорошо, что оно униполярное. Но плохо, что его пиковое значение должно составлять 150 В. Требуемый ток совершенно невелик. Он должен лишь заряжать и разряжать емкость пьезоэлемента, равную 20 нФ. На основании величины переносимого заряда (Q) этот ток легко рассчитать:

Q = It = CV,

где

t = 1 мс,
C = 20 нФ,
V = 150 В.

Следовательно

Получить напряжение +200 В с требуемым выходным током 3 мА из напряжения +12 В можно с помощью импульсного повышающего преобразователя мощностью 600 мВт. Самым прямолинейным решением было бы использование операционного усилителя с напряжением питания, по крайней мере, 200 В. И хотя такие усилители существуют, они предназначены, в первую очередь, для сильноточных приложений и достаточно дороги.

Показанная на Рисунке 1 схема намного дешевле и основана на операционном усилителе общего применения, включенном повторителем напряжения. Сердцем схемы является токовое зеркало, состоящее из резистора R7, n-канального МОП транзистора Q3 и последовательной цепочки резисторов R4, R5 и R6. (Причина, по которой три резистора соединены последовательно, объясняется ниже).

Специализированный драйвер 150-вольтового пьезоэлектрического двигателя на низковольтном операционном усилителе
Рисунок 1. Для управления высоковольтным пьезомотором может быть использован низковольтный ОУ.

Транзистор Q3 включен по схеме с общим затвором, подключенным к напряжению +12 В. Напряжение на его истоке остается практически постоянным и равным +10 В (12 В минус падение напряжения на открытом транзисторе). При любом напряжении на выходе ОУ IC1 меньшем, чем +10 В, Q3 открыт, и открыта цепь прохождения тока R7, R4-R6. Поскольку через R7 протекает тот же ток, что и через резисторы R4-R6, усиление напряжения равно (R4-R6)/R7, или 33. На стоке Q3 напряжение имеет требуемый размах, однако выходное сопротивление этой точки слишком велико.

Два комплементарных МОП транзистора, работающие как повторители напряжения, предназначены для снижения выходного сопротивления и усиления выходного тока. Резисторы R2 и R3 образуют цепь отрицательной обратной связи, а конденсатор C1 ограничивает полосу рабочих частот. Общий коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи равен

Остановимся на некоторых тонкостях схемы. Стабилитроны D1 и D2 предназначены для защиты затворов транзисторов в случае каких-либо неприятностей с пьезомотором, например, если пользователь закоротит его выводы. Сопротивление верхней части токового зеркала представлено тремя резисторами R4 … R6, что позволяет снизить мощность, рассеиваемую каждым прибором, и использовать резисторы для поверхностного монтажа типоразмеров 0805/2012. Сопротивление обратной связи разделено на два резистора R2 и R3 для уменьшения влияния коэффициента сопротивления. Этот несколько неясный эффект проявляется в незначительных изменениях начального сопротивления при высоких рабочих напряжениях.

Небольшой конденсатор обратной связи между входом и выходом ОУ предназначен для компенсации нестабильности схемы. Без него паразитные емкости (прежде всего, емкости Миллера CDG и емкость пьезоэлемента) внесли бы фазовый сдвиг, достаточный для самовозбуждения ОУ. Искажения типа «ступенька» не создают никаких проблем и не требуют устранения, так как пьезоэлемент реагировать на них просто не в состоянии в силу ограниченной частотной характеристики.

Еще одну проблему создает полюс в бесконечно удаленной точке, обусловленный чисто емкостным характером пьезоэлемента. Устойчивость схемы можно улучшить, взяв сигнал обратной связи прямо с истоков Q1 и Q2 через дополнительный резистор R8.

После того, как слегка капризничавший пьезомотор был настроен, схема заработала великолепно. Якорь двигался вперед и назад с невероятно высоким разрешением.

Заключение

Для управления высоковольтным пьезоэлектрическим мотором может использоваться низковольтный операционный усилитель. D1 и D2 защищают схему от коротких замыканий нагрузки, в то время как разделение некоторых резисторов на последовательные цепочки снижает выделяющуюся на каждом из них мощность и минимизирует коэффициент сопротивления.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Specialized Circuit Drives 150-V Piezoelectric Motor

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя