【应用方案】一文搞定！压电马达核心技术、驱动流程与国产芯片配套方案详解
在智能手机全面取代手持相机的今天拍摄早已成为用户最核心的使用场景之一。而摄像头防抖效果作为影响拍摄体验的核心技术不仅决定了画面的清晰程度更深刻改变着消费者记录生活、创作内容的方式成为消费者选购手机中不可忽视的关键指标。本文档系统性介绍压电马达的核心原理、结构分类、性能参数、优缺点聚焦压电马达在消费电子、精密光学、工业制造、医疗设备等领域的应用场景。压电马达应用压电马达应用主要用于高端旗舰手机长焦、微距镜头凭借纳米级定位精度实现无损变焦、微距高清拍摄部分高端智能穿戴设备、运动相机采用压电马达利用无磁干扰特性避免影响传感器工作提升拍摄稳定性。另外在精密光学与光电行业压电马达为该领域核心优选器件依托超高定位精度、无磁干扰优势应用于光纤耦合校准、光学显微镜载物台位移调节、激光光路微调、光谱仪镜片定位。在光纤通信领域压电马达可精准控制光纤对接位移降低光信号损耗在科研光学仪器中实现纳米级光路校准满足高精度实验检测需求。VCM马达多用于普通光学检测设备、简易光路调节装置。压电马达工作原理压电效应是压电材料的一种独有特性压电材料受到外力的作用而变形时其内部会产生极化现象同时在它的两个相对表面上出现与压力相关的正负相反电荷(可以利用该特性检测外部压力大小)如下图所示图1 压电效应示意图图片来源今日头条罗罗日记luoluonotes压电马达核心驱动材料为PZT锆钛酸铅压电陶瓷利用逆压电效应外加高压交变电压时压电陶瓷产生微观形变通过结构设计将微量形变放大结合摩擦传动、惯性驱动、共振驱动方式将微观形变转化为宏观连续位移。区别于电磁类马达压电马达无线圈、无磁干扰依靠晶体形变直接驱动响应速度可达微秒级。VCM马达和压电马达驱动原理对比对比项目VCM音圈马达压电马达驱动原理电磁感应、安培力驱动压电逆效应、晶体形变放大驱动电压低压驱动2-5V高压驱动几十至几千伏磁场干扰存在电磁磁场无磁场、无电磁干扰形变响应毫秒级响应微秒级高速响应表1 VCM马达和压电马达驱动原理对比表压电马达和VCM马达对比具有无电磁干扰定位精度高级微秒级快速响应以及断电自锁和功耗低的巨大优势。下面会重点介绍压电马达的驱动及调试流程。压电马达的驱动方法以及驱动流程不同类型的压电马达使用的驱动方式不同有正弦波驱动、锯齿波驱动、方波驱动等。实际调试时需根据压电马达厂商提供的规格参数输出电压信号控制马达运动。以下以手机领域常见的PWM波(方波)方式介绍压电马达的驱动方法以及驱动流程。方波驱动即使用不同的PWM信号作用到压电马达的端子上。当输出不同频率、占空比和相位的PWM波时压电马达的运动方式会跟着改变。比如假设一款压电马达由厂商给出的规格如下图2 正/反向运动波形对比从上图可知该压电马达有两个输入端子IN1和IN2马达正向和负向的驱动参数如下正向运动IN1和IN2两个端子PWM的频率均为150KIN1的占空比约为33.3%IN2的占空比约为66.7%IN1的相位设置为0°IN2的相位设置为120°。反向运动IN1和IN2两个端子PWM的频率均为150KIN1的占空比约为66.7%IN2的占空比约为33.3%IN1的相位设置为0°IN2的相位设置为180°。理论上按照压电规格当拿到马达后按如上正向和反向波形循环把PWM信号输出到压电马达上。如果周期设置为1S则马达便会以1S为周期循环进行开环运动。针对压电马达应用awinic和客户紧密配合提出了压电马达系统解决方案系统框图如下图3 PIEZO控制系统方案硬件电路设计可查阅艾为官网在产品中心中搜索-影像运动控制-光学防抖驱动-AW86102参考技术文档产品设计指南。按照硬件设计连接好压电马达负载后可根据AW86102芯片特性设计固件驱动马达开环运动在固件驱动中将对应的PWM频率占空比以及相位设置后好并在PWM通道映射到对应的OUT驱动管脚中此时压电马达便可以实现正向或反向运动啦。硬件设计参考如下图4 AW86102应用电路压电马达在作动过程中由于驱动芯片输出高频方波高频电流在线圈、电容上产生电磁振动会发出细微电流啸叫且电压的突变会让电压抖动加剧噪声放大。面对压电马达在驱动过程中的噪音问题艾为提供优秀的算法和控制方案能够大大降低压电端子在马达运动过程中带来的噪音。压电马达的噪声抑制Audio noise主要分为两种一种是马达运动产生Audio noiseAudio noise频点一般对应FRA Gain较大的位置第二种是电流产生Audio noiseAudio noise一般对应环路控制频率Fs马达运动Audio noise可通过滤波器限制audio noise频点增益减小该频点下马达运动幅度降低Audio noise而电流Audio noise可以通过提升环路控制频率Fs到20kHz以上避开人耳能识别的频率范围实现Audio noise降低对于大部分芯片Fs的提升意味着电路noise增加为了规避这个问题可以通过在环路Fs不变的前提下提升driver驱动频率同时不会增加电路noise对于有噪信号AW降噪方案为复合滤波器去噪算法图5 复合滤波器复合滤波器可以有效抑制高频噪声如马达运动噪声、控制信号噪声等相比常规低通滤波器具有更好的幅频特性表现降低对控制系统低频段信号相位的影响。另外在控制策略上艾为也提供了先进的压电控制驱动模式该驱动模式可以解决由于PWM相位频繁切换导致的驱动马达出现的尖锐异响。以下是某AF马达阶跃前后对比音频频谱的对比可以看出整体增益降低10dB以上在10Khz附近增益下降超过20dB有效抑制了高频噪声。图6 异响优化前后左右声道对比同时对于自动对焦与光学防抖应用艾为持续推出多款产品涵盖开/闭环对焦驱动、OIS驱动、压电驱动等做到了VCM马达驱动领域的全面覆盖。丰富的产品体系为客户提供了更多选择。艾为目前在VCM产品线深度耕耘10年拥有开环闭环OIS集成式、分离式、SMA等全系列量产的纯国产厂商目前已经和多家品牌客户量产vivo联想华硕OPPO......同时艾为和马达长模组厂深度合作紧密配合具有完整的VCM driver全套解决方案。表2 VCM driver全套解决方案表
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