微电机驱动电路设计研究

微电机驱动电路设计研究

胡晓槟

日本电产（东莞）有限公司

我国作为世界上积极推进微电子机械系统的主要研发国家之一，在微电子技术以及精密工程等新兴技术不断兴起的过程中，人们将微电子技术的发展带入到崭新的境界，并在医疗、科学以及航天等领域应用越来越广泛，对我国国民经济发展以及社会进步起到了巨大的推动作用。无论是电子机械系统的加工以及制作都需要配备一定的工具和技术，对微笑物体的操作是重要任务之一，在灵活精确多方位的操作微小物体的过程中，综合性评价微电子机械系统以及微操作装置的重要性指标，作为动力源的微电机将起到核心部件的重要作用，在微机械领域的研究也是重要内容之一。由于微电机的品种繁多，应用情况复杂，所以针对微电机的功能研究是十分必要的。在微电子工艺芯片的驱动作用下，为驱动器必然在生命科学领域取得了重要突破。

1微电子的类型

常见的微电机类型主要以永磁电机占据主流地位，在液压和电动机的作用下，将电机微型化。微电机被广泛的应用到摄像机、电动玩具以及自动化办公设备中，在采用新的功能材料过程中开发了新的驱动原理，并制作成了各种结构微型电机，包括静电电机以及利用形状记忆的合金等。在机器人、精密工程、航天领域等有着极其重要且广泛的应用。微电机兼具驱动和精密控制双重功能，驱动可以实现电机的旋转以及自由度的控制，在速度和力矩稳定的情况下，从应用角度来看，微电机应用需要进一步满足输出功率较大、功耗小以及精密度高、反应快等特点，微电机作为常规电机和其他微型驱动器的集合体，既要满足基本的驱动要求，同时又要具备具体的结构和功能，这是微型电机设计开发必须解决的问题之一。

微型电机的设计制造不仅给装配带来了一定的困难，同时也为行业发展带来了更多的价值。在使用原有大尺寸的电机成本过高时，可以通过微型电机减低材料的使用比例，从而降低电机成本。微型电机的结构类型和内容比较丰富，微型电机的类型主要包括静电式、电磁式等。

压电材料作为制作微型电机的理想材料，微型压电材料不仅需要增加电场，同时需要压点性薄膜，更加方便制作微小主动结构体，并利用压电材料制作驱动器。利用压电材料本身变形的特点，在极小形成下工作，应用杠杆原理复合结构，扩大压电材料本身变形的范围。将压电陶瓷产生的变形设法无限延长。利用共振生成驻波超声波电机，利用惯性等达到压电陶瓷的效果。微电机中，压电式和电磁式输出功率较大，微电机的产业化发展前景良好，且是国内外有关研究的热点。

二、电磁微电机

电磁微电机的应用受到了广泛的关注，且电磁微电机具有一定的优势，主要特点是低电压驱动和电子电路相互匹配，可以利用成熟的技术以及工艺等。而在使用过程中必须要重视其结构、性能以及电磁电机的微型化不利点，扬长避短，从而达到良好的使用效果。

图1日本佳能公司的微型步进电机

如图1可知，为日本佳能公司的微型步进电机，原直流电机明显比较高，且驱动电路比较复杂。采用轴向间隙方式,用平面式层叠薄膜绕组线很好地解决了微细线圈的加工工艺要求很高,难以大批量加工的困难。所以，电磁微电机设计必须要重要解决加工工艺问题，才能保证驱动电路的使用效果。

三、超声波微电机

超声波电机是利用压电元件激励出的定子超声波共振，利用摩擦变换成转子的机械能加以输出。压电超声波电机诞生以来，不断提高了超声波电机的使用功率之时，降低了制作成本，使得电机更加微型化。如美国宾州大学设计了一种结构独特的超声波微电机。其定子的齿设计在定子内侧,仅用一片压电陶瓷沿厚度方向单相激振,使零件减少,结构和电路大大简化,样机直径仅3mm。

四、微电机的应用前景

由于信息技术的发展，微电机的应用前景广泛，在机器以及家电主流化趋势下，电机微型化，电路设计更加轻薄，包括智能检测和便携式效果等越来越好，电机的微型化设计是关键环节。微电机被广泛的应用到生产生活中，光学机器以及微机器人和医疗器械中，对微机械技术的应用最具有代表性，人们在微创伤手术中利用局部微量给药达到治疗效果，且提高了微型电机的灵敏度和柔顺性效果。且随着信息技术的发展，对微型电机提出了更高的要求。

微机械的性能测定、仿真模型以及优化设计研究具有高效性和正确性。在微型机械性能测评技术评价更加科学的基础上，通过微型电机零部件的微小化处理，可以产生更多的运动以及位移上的变化，在微机械传感器开发滞后的限制下，使得微型电机的电路设计产生了巨大障碍，微电机是一个机电一体化的动态系统模型，主要是通过模拟试验以及系统识别的方式，准确把握系统的动态特点，以此来提高机电转化的作用。

微摩擦以及微支撑技术在电机中的应用问题比较突出，在极小的运动间隙中如何严格利用防尘技术，发展具有耐久性的问题是关键。微型电机在降低功耗以及电压驱动效果时，在大多数的市场应用前景下，微机器人在无懒化、自立化过程中，需要通过无线能量传输来解决供电问题，在研究更高效简单的驱动电路时，以低功耗、低电压驱动的电机结构为主，推动电机开发的原理发展。超声电机的结构对于微小机械的应用场合不尽合理，且应当朝着扁平式的趋势发展，微电机在应用空间十分狭小的情况下，多功能一体化微电机则十分受欢迎。尤其是在非结构环境中，微电机的应用控制更加柔顺。

微电机的设计需要重复精度和分辨率的情况下，利用共振原理对精密控制情况加以利用，在精密工作台时，开发自律阻抗匹配系统，科学的预测电机驱动要素。微型电机电路设计优化，是建立在微型电机应用场合基础上，进一步促进微型电机的多元化发展和信息化进步，结合信息技术的应用，实现微型电机电路设计的智能化和可视化操作是未来的发展趋势。

五、结论

微电机驱动电路设计研究，主要是围绕着电机本身的驱动因素以及电机的电路特点展开研究，在电路设计合理化的前提下，优化微型电机电路设计的结构，丰富微电机驱动电路的应用思路，并进一步提高微电机驱动电路设计的性能，在降低微电机驱动电路设计成本时，进一步提高微电机驱动电路设计的结构布局效果。微电机电路设计在符合基本的使用要求时，必须要重视降低设计成本，降低功耗，从而保证微电机可以被应用到各个领域，起到更好的应用效果。

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