音圈电机直流驱动电路设计

摘 要：根据音圈电机的特点，文章设计了一种音圈电机直流驱动电路。该电路基于反相放大的原理，实现了对驱动信号的双倍放大，增加了放大倍数。同时，设计了电压保护电路以消除电机反电动势对电路本身的影响，防止损坏电路。为避免驱动电压过大对电机造成损坏，设计了电流监控模块。当驱动电流过大时，即让电机停止工作，以起到保护电机的效果。实验结果表明，该电路可有效实现对电机的驱动，并已经成功用于音圈电机的控制系统中。

关键词：音圈电机；直流驱动电路；电压保护；电流监控

作为一种直线运动电机，音圈电机具有推力大、行程远、体积小、运动连续的特点[1][2]，采用合适的闭环控制方式和高精度的位移传感器可以使运动精度达到微米量级[3]。现广泛应用于二维精密定位[4]，系统隔振[5]以及光学振动台[6]的设计中。音圈电机种类繁多，主要包括直线型与曲线型两种方式[1]。由于与其他形式的电机区别较大[7][8][9]，通用的电机驱动器无法满足音圈电机的应用需求。另外，音圈电机是一种功率型器件，需要驱动系统为其提供强大的功率，所以需要针对音圈电机的特点为其设计专用的驱动模块。

音圈电机的驱动方式主要包括：直流驱动以及PWM方式驱动。PWM驱动方式目前是一种比较常见的电机驱动方式。但是，这种方式通常需要专用的芯片，价格较高[10][11]。另外，这种工作方式下的输入输出信号不满足线性关系，会增加控制器的设计难度。而直流驱动的方式则简单直观，价格便宜，且输入输出信号满足线性关系，可以简化控制器的设计。文章针对音圈电机的特点设计了一种直流驱动电路，并对电路的原理进行了详细介绍。同时，设计了相应的电流监控模块以及保护电路，保障了电机及电路的正常工作。

1 音圈电机直流驱动电路原理简介

音圈电机直流驱动电路的原理框图如图1所示。

中的控制信号X（t），设计范围为-5V～+5V。X（t）直接控制了音圈电机动子的运动速度以及运动方向。将控制信号X（t）输入到反相输入比例运算电路，控制信号将被放大Auf1倍，则反相放大器1的输出信号为

（1）

将信号Uo1分成两路，分别接在音圈电机的正端和反相放大器2上。则反相放大器2的输出信号为

UO2=Auf2UO1=Auf1Suf2X（t） （2）

通过电路的设计使得反相放大器2的放大系数为-1，即Auf1=-1，则有

UO2-Auf1Auf2X（t）=-Auf1X（t） （3）

将Uo2接到音圈电机负端，那么音圈电机两极之间的电压差为

U=2|Auf1|X（t） （4）

电压差U即为驱动音圈电机的电压。设计时需要注意的是，该电压U要小于音圈电机所能承受的最大电压。以BEI公司生产的LA28-13-000A型音圈电机为例，其在最大推力条件下的驱动电压为29.7V，电流为6.19A。因此在设计时需注意，音圈电机两极间所允许的最大电压差不超过29.7V，即音圈电机单端最大电压不超过±14.35V。通常，出于安全的考虑，需留有一定裕量，取单端最大电压为±12V。当连接在音圈电机两端的电压差值发生变化时，音圈电机动子的运动速度及方向也随之变化。

2 驱动电路的组成

音圈电机直流驱动电路主要包括三部分：反向输入比例运算电路、电流监控模块以及电路保护模块。其中，电流监控模块用以实时监测音圈电机中电流的大小，防止电流过大对电机造成损坏，而电路保护模块主要克服反电动势对驱动电路的影响。

2.1 反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路是一种电压并联负反馈电路。其基本电路如图2（a）所示。根据“虚短”“虚断”和“虚地”的概念，因此，反相放大器的放大系数为

该电路的输入、输出电阻分别为

Ri=R1，Ro=0 （6）

由于反相放大器的输入端是整个驱动电路的输入端，因此，有必要在运算放大器的反相端加一个滤波电容C1和电阻R2，用以滤除控制信号中的高频噪声的影响，如图2（b）所示。

集成运放的输入级是差动放大电路，考虑到两输入回路参数对称，需要在同相输入端加补偿电阻RO=R1//Rf。

2.2 电路过压保护模块

为了使得电路不受音圈电机反电动势影响，需将音圈电机两端的反电势控制在一定的范围之内，设计如图3虚框中所示的保护电路。

反相输入比例运算电路中的运算放大器采用±12V供电。当音圈电机的反电动势大于±12V时，会有反向电流流入运放，击穿晶体管，损坏运算放大器。在音圈电机的两个电极间，通过二极管分别连接到+12V和-12V的电压，理想状态下，当反电动势大于+12V时，二极管D1导通，D2截止，+12V电压会引至Motor+端，反向电流会流向+12V，而不会回流进入运放，从而起到保护集成运放的目的。同理，当反电动势小于-12V时，Motor-的电压会被限定在-12V。实际上，二极管具有死区电压，通常硅二极管死区电压为0.6～0.7V，锗二极管为0.2～0.3V。若要使得上述二极管导通，则需在原有12V的基础上，将电压再升高死区电压的幅度，这样会对电路造成一定危险。在应用过程中，应当选择导通电压较小的二极管，从而达到更好保护电路的目的。

2.3 电流监控模块

在驱动电路中加装电流监控装置的目的在于，为外界提供一个可参考的电流信号，这个电流信号直接反映音圈电机的运行情况，监控可能发生的电流过大等意外情况。其基本电路如图4所示。

在Sense端和Motor-端间加一个0.1？赘的小电阻R5，如图4（a）所示。Sense端到Motor-端压降为

由欧姆定理可知，流过电阻R5的电流为

（8）

只要设法测得ΔU，就可计算获得I的值。

在R5两端对应的Motor-和Sense端并联如图4（b）所示的电路。可测得Feedback端的对地电压UF。在运算放大器同相端，可得

（9）

Motor-端流过的电流为

在运算放大器反相端，可得

因此

则流过电阻R5的电流为

因此，通过监测Feedback端的对地电压，经过简单计算后，就能够得到流过电阻R5的电流I。电流I的大小可以反映音圈电机的运行情况，当电流过大时，应立即关闭驱动电源，以免对电路板、音圈电机造成损害。

3 PCB板的制作

元器件布置情况如图5所示。图中将电路板分为五个区域，分别为外界电源部分、反相放大器1部分、反相放大器2部分、保护电路部分、电流监控装置部分。制作的PCB板如图6所示。

4 实验结果

实验装置示意图如图7所示。驱动信号由Labview数据采集卡产生，电机驱动模块的输出信号通过示波器进行检测。

实验中输入信号的幅值为1.0V，频率为10Hz。如图8所示，示波器通道1均为控制信号X（t），每小格电压为1.00V；示波器通道2均为反相放大器的输出信号，每小格电压为2.00V。通过调整反相放大器中可变电阻器的阻值，使得反相放大器1的放大系数为-2，反相放大器2的放大系数为-1。从图中可以看出，Uo1与X（t）反相，比X（t）大了2倍，Uo2与X（t）同相，同样也比X（t）大了2倍，与Uo1幅值基本相同。控制信号波明显有一定的噪声，波形不平滑，而输出信号的波形很平滑，说明电路中的滤波电容起到了一定的作用。

（a）X（t）与Uo1的对比 （b） X（t）与Uo2的对比

在驱动电路正常运行中，将示波器的探头CH1和CH2分别与Motor+和Motor-相接，对比两路信号，观察两路信号幅值、频率、相位关系。运行示波器的运算功能，调节至减法运算选项“CH1-CH2”。记录的波形如图9所示。

两个反相放大器的输出信号即为电机两极的控制信号Uo1、Uo2。两个信号的幅值都在2V左右，相位相反。作用于电机上的电压即为两路信号电压之差，即Uo1-Uo2。从图9中可以看出，相减波形的频率与X（t）、Uo1、Uo2保持一致，幅值大概在4V左右，相当于控制信号X（t）的4倍，也即输入信号放大了4倍。

5 结束语

文章根据音圈电机的特点，设计了一种直流驱动电路。该电路通过对输入音圈电机正负端的电压信号分别进行正向和反向放大来对电机进行驱动。为了克服反电动势以及电流过大的影响，文中还介绍了过压保护电路以及电流监控模块的设计原理，并制作了相应的PCB板。过压保护以及电流监控模块的设计保证了电机及相关电路的正常工作运行。设计的驱动电路已成功运用于音圈电机的控制中。

参考文献

[1]张大卫，冯晓梅.音圈电机的技术原理[J].中北大学学报（自然科学版），2006，27（3）：224-228.