双绕组音圈电机及其混合驱动控制方法与流程

本发明涉及音圈电机驱动控制领域，特别是涉及光刻机系统、卫星姿态控制、精密机床以及高端物理实验装置等高精度高频响场合，具体是一种双绕组音圈电机及其混合驱动控制方法。

背景技术：

音圈电机(Voice Coil Motor，VCM)是基于洛伦兹力原理设计而成的一种电机，它能将电信号直接转化成直线位移而不需要任何中间转换机构。它具有结构简单、体积小、重量轻、惯性小、比推力大等优点，在高精度、高频激励、快速和高加速度的定位系统中，在光学和测量系统、光学装配以及航空航天方面也有广泛的应用。

音圈电机驱动控制有线性模拟控制以及开关控制两种方案。随着音圈电机的功率越来越大，线性模拟控制方案受到功率以及发热量的局限，使得开关控制的方案渐渐成为主流。然而开关控制方案中其斩波驱动方式导致电流纹波较大，使得整体推力波动大，从而无法在高精度伺服系统中使用。为了更好地抑制电流纹波，需要提高功率器件的开关频率，并且对微处理器的计算能力以及实时性提出极高的要求，然而受到电力电子器件以及微处理器计算能力的瓶颈，开关频率和软件计算速度无法无限制的提高，因此在大功率开关控制方案中无法保证音圈电机驱动控制的精度，此外，额外增加的高昂硬件成本以及外部电感庞大的体积也严重制约了音圈电机在高精度系统方面的发展，因此亟需要找到一种输出精度较高、成本相对低廉的高精度大功率音圈电机驱动控制方法。

技术实现要素：

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种成本低廉、精度高、能有效解决音圈电机采用PWM开关驱动控制下的电流纹波，进而影响其在高精密领域下的应用难题的双绕组音圈电机及其混合驱动控制方法。

技术方案：一种双绕组音圈电机，包括绕组A、绕组B，其特征在于：所述的绕组A与绕组B设置在同一个磁芯上，且相互独立无耦合关系，绕组A匝数大于绕组B匝数

进一步的，所述的绕组A通过三电平开关控制的功率驱动器件连接主控芯片，绕组B通过Howland电流源电路及其延拓电路的组合式精密压控电流源连接主控芯片，且绕组A与绕组B均通过电流传感器、A/D转换器连接主控芯片，主控芯片连接在PC机上

进一步的，所述的主控芯片型号为TMS320F28335内部集成A/D转换器、PWM发生器、CAN通讯接口、SPI接口以及XINTF接口，所述主控芯片的开关功率驱动器上的核心功率器件采用了4个单管MOSFET单元IPD600N25N3来实现，其驱动芯片为6EDL04N06，利用其中四路做为功率器件的驱动单元，绕组A采用H桥结构的驱动电路，其开关频率大于12kHz，绕组A与绕组B通过同一个DSP进行控制，绕组B连接的线性模拟器采用线性运放OPA548，该芯片为电流型运放，其频响大于200kHz，其指令信号通过DSP外置的DA芯片TLV5630来获得。

一种双绕组音圈电机及其混合驱动控制方法，其步骤如下：步骤1：将音圈电机设定为双绕组结构，包括绕组A、绕组B，即在同一磁极下安装两个绕组，绕组A用来产生主推力，绕组B用来产生小推力，来抑制绕组A中产生的纹波推力；

步骤2：对绕组A采用三电平开关控制方法产生音圈电机所需的推力，对绕组B采用模拟线性控制方法来补偿绕组A产生的推力纹波；

步骤3：分别采样绕组A和绕组B的电流，其中绕组B的电流环完全用模拟控制的电流源实现，采样绕组B中的电流只用来做保护，绕组A中的电流除了在DSP中用于电流反馈，实现电流PI调节器之外，还需要对绕组A中的电流加以提取做为绕组B电流环的指令信号；

步骤4：绕组A中的电流信号通过高通滤波器以及低通滤波器分别得到绕组A中电流的高频分量以及直流量，并将二者做差获得绕组A电流在零点附近波动的纹波电流，此外，此纹波电流通过绕组A和绕组B的不同推力系数比值，等比例拓展到绕组B的推力上，由于对绕组B的控制直接采用电流源的方法实现，因此对电流源的信号偏差加以校正，达到最优的电流补偿效果。

进一步的，绕组A采用开关驱动方法来保证电机输出较大推力，同时为了降低两电平开关驱动的电流纹波，采用了三电平的脉宽调制方法，增加了零电平状态，将功率放大器的输出电压变为+U，0，-U，分别对应为能量吸收、自然续流以及能量回馈三种模式，该方法相比较两电平开关驱动能够有效地降低绕组A的电流纹波，从而降低绕组A的推力波动，音圈电机在三电平状态下的电流纹波可以表示为：

采用开关驱动的绕组A中的功率器件工作在饱和区域，会产生不可控制的电流纹波，其电流纹波如公式(1)所示，模拟线性控制中功率器件工作在线性区域，不会产生相应的电流波动，只要对绕组B的施加大小相等、方向相反的同周期电流纹波推力就可以消除音圈电机系统的纹波推力，根据绕组A的纹波电流以及推力系数可以获得其产生的纹波推力，根据该推力并结合绕组B的推力系数就可以得到其需要在绕组B的线性放大器中所需的电流值，分别如公式(2)和(3)所示：

ΔF₁≈k_f1Δi (2)

I_L＝k_f1/k_f2×Δi (3)

其中，k_f1和k_f2分别绕组A和绕组B的推力系数。

其中，U_D和U_on分别为功率器件的二极管压降和导通压降；R、L分别代表电机的电阻和电感；I和f分别代表着电机的电流和驱动器的开关频率。

进一步的，所述的绕组B的驱动电路采用基于Howland电流源及其延拓电路的组合式精密压控电流源来加以实现，直接利用模拟器件构建的Howland电流源电路可以保证器件具有极高的频响，同时利用基准电压对电流加以校正补偿，来降低器件非理想化以及电磁噪声的影响，从而将电流的输出精度提高的uA级别，其输出关系为：

I_L＝U_I/R_I (4)

其中，U_I为绕组B的输入电压量，R_I为Howland中运放电阻，I_L为绕组B的输出电流。

进一步的，控制音圈电机驱动的软件算法功能方面相关的程序全部在主中断中执行，主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为20kHz，该主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，绕组A实施PWM开关驱动控制，其中包括：基于三电平的脉宽调制技术、绕组A的电流环PI调节器、绕组A和绕组B的AD采样及转换技术、故障保护封锁技术，给绕组B发送电流指令信号输出，其中包括：绕组A电流的高通滤波器和低通滤波器的设计、绕组A中波动电流量的提取、双绕组音圈电机系统的偏差补偿、DA输出。

进一步的，音圈电机的绕组A和绕组B的电流分别由电流传感器检测，利用DSP芯片内部丰富的资源，在DSP内部完成三电平脉宽调制PWM算法、高通滤波器以及低通滤波器算法、PI调节算法以及故障下的电流保护算法。

有益效果是：通过采用本发明的技术方案，采用主、辅双绕组结构的音圈电机，采用三电平开关控制的方法加以实现；辅助绕组用来补偿主绕组产生的纹波推力，直接采用电流源，利用Howland电路的设计方法，通过对主绕组产生的纹波信号的提取，实时补偿产生主绕组产生的电流纹波，从而保证音圈电机系统整体具有高输出精度同时有较大的功率输出，高精度电机控制技术具有重要的意义和价值。

附图说明

图1为双绕组结构音圈电机示意图。

图2为双绕组结构音圈电机驱动拓扑结构图。

图3为双绕组音圈电机驱动控制原理总体框图。

图4为绕组A的驱动控制原理图

图5为绕组B的驱动控制原理图

图6为硬件结构示意图。

图7为软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种双绕组音圈电机，包括绕组A、绕组B，其特征在于：所述的绕组A与绕组B设置在同一个磁芯上，且相互独立无耦合关系，绕组A匝数大于绕组B匝数

进一步的，所述的绕组A通过三电平开关控制的功率驱动器件连接主控芯片，绕组B通过Howland电流源电路及其延拓电路的组合式精密压控电流源连接主控芯片，且绕组A与绕组B均通过电流传感器、A/D转换器连接主控芯片，主控芯片连接在PC机上

进一步的，所述的主控芯片型号为TMS320F28335内部集成A/D转换器、PWM发生器、CAN通讯接口、SPI接口以及XINTF接口，所述主控芯片的开关功率驱动器上的核心功率器件采用了4个单管MOSFET单元IPD600N25N3来实现，其驱动芯片为6EDL04N06，利用其中四路做为功率器件的驱动单元，绕组A采用H桥结构的驱动电路，其开关频率大于12kHz，绕组A与绕组B通过同一个DSP进行控制，绕组B连接的线性模拟器采用线性运放OPA548，该芯片为电流型运放，其频响大于200kHz，其指令信号通过DSP外置的DA芯片TLV5630来获得。

一种双绕组音圈电机及其混合驱动控制方法，其步骤如下：步骤1：将音圈电机设定为双绕组结构如图1，包括绕组A、绕组B，即在同一磁极下安装两个绕组，两个绕组共用同一铁心，绕组A线圈匝数较多，做为主绕组，绕组B为线圈匝数很少，做为辅助绕组，两个绕组之间在机械以及电气方面完全隔离，完全不存在耦合关系；绕组A用来产生主推力，绕组B用来产生小推力，来抑制抑制绕组A中产生的纹波推力；

步骤2：对绕组A采用三电平开关控制方法产生音圈电机所需的推力，对绕组B采用模拟线性控制方法来补偿绕组A产生的推力纹波；

步骤3：分别采样绕组A和绕组B的电流，其中绕组B的电流环完全用模拟控制的电流源实现，采样绕组B中的电流只用来做保护，绕组A中的电流除了在DSP中用于电流反馈，实现电流PI调节器之外，还需要对绕组A中的电流加以提取做为绕组B电流环的指令信号；

步骤4：绕组A中的电流信号通过高通滤波器以及低通滤波器分别得到绕组A中电流的高频分量以及直流量，并将二者做差获得绕组A电流在零点附近波动的纹波电流，此外，此纹波电流通过绕组A和绕组B的不同推力系数比值，等比例拓展到绕组B的推力上，由于对绕组B的控制直接采用电流源的方法实现，因此对电流源的信号偏差加以校正，达到最优的电流补偿效果。

作为本发明的一个实施例，绕组A采用三电平的开关驱动方法来降低绕组A的电流纹波，其驱动原理图如图4所示，三电平开关控制的功率器件和两电平功率器件的数量一致，不同之处在于三电平开关相比于两电平开关增加了一种零电平状态，此状态通过开关管、音圈电机以及续流二极管组成回路完成自然续流，三电平功率放大器的输出电压就有+U，0，-U三种状态，分别对应为能量吸收、自然续流以及能量回馈三种状态，音圈电机系统频响高，加速度快，反电势E的响应远小低于电流的响应，因此分析时可以认为其为常数，忽略其影响，简化后的音圈电机在三电平开关控制下的工作模式的电流纹波可以表示为：

其中，U_D和U_on分别为功率器件的二极管压降和导通压降。

作为本发明的一个实施例，对应的电机驱动控制方法原理图如图2所示，对绕组A即主绕组采用基于PWM的开关控制方法，其主要作用为产生音圈电机系统所需要的推力；同时对绕组B即辅助绕组采用模拟线性控制方法，给较小的推力信号，提供用来补偿绕组A纹波的推力。由于开关方案功率器件工作在饱和区域，因此会产生相应的不可控制的电流纹波，其电流纹波如公式(1)所示，然而模拟控制中功率器件工作在线性区域，不会产生相应的电流波动，因此只要对绕组B施加大小相等、方向相反的同周期、由绕组A形成的纹波推力就可以消除音圈电机系统的纹波推力；根据绕组A的纹波电流以及推力系数可以获得其产生的纹波推力，根据该推力并结合绕组B的推力系数就可以得到其需要在绕组B的线性放大器中所需的电流值，分别如公式(2)和(3)所示。

绕组A产生的推力纹波：

ΔF₁≈k_f1Δi (2)

绕组B中需要提供的补偿电流：

I_L＝k_f1/k_f2×Δi (3)

双绕组音圈电机驱动控制原理框图如图3所示，其中，绕组A和绕组B都采用电流闭环控制方法，绕组B的指令信号和绕组A产生的纹波保持一致，从而抵消在绕组A上产生的纹波推力，实现音圈电机系统对纹波的抑制。

为了保证辅助绕组对主绕组的实时补偿，将主绕组获得的采样电流分别通过高通滤波器和低通滤波器，获得主绕组电流中的直流分量以及纹波扰动分量，通过二者做差形成在零点附件的电流纹波波动信号，此信号做为辅助绕组电流环输入信号，即辅助绕组电流环输入信号为主绕组电流纹波波动量的取反值，因此可以抵消主绕组的电流纹波，此外，由于取值始终在零点附近选择，因此辅助绕组不会对主绕组产生输出推力产生影响，从而在不影响输出推力的情况下降低了电流纹波。如图3所示，为了保证绕组B中电流跟踪的快速性，直接采用Howland电路的电流源加以实现；

通过上述对绕组A和绕组B的驱动控制方法，可以有效地利用双绕组音圈电机的结构，在不增加额外成本的基础上，大幅度提升音圈电机系统的输出精度，从而更好地应用在超精密电机系统领域。

作为本发明的一个实施例，所述的绕组B采用Howland电流源电路及其延拓电路的组合式精密压控电流源，该电路具有输出电流的稳定性好、精度高、输出阻抗低的优点，由于其精度和带宽完全有模拟器件来实现，因此按照现有的模拟器件的条件完全可以实现小电流信号下的高带宽以及高精度，设计的绕组B的同相输入Howland电流源及其V/I转换电路如图5所示，为了降低器件非理想化以及电磁噪声的影响，利用基准电压对电流加以补偿，从而将电流的输出精度提高的uA级别，其输出关系为：

I_L＝U_I/R (4)。

作为本发明的一个实施例，本实施例的硬件系统结构示意图如图6所示，在电机本体方面，两个绕组共用同一个磁芯，在空间上独立无耦合关系，和普通音圈电机结构不同之处在于同一个铁心上增加了一个空间独立，匝数较少的绕组；在驱动控制方面，采用的主控制芯片为TMS320F28335，采用C语言编程模式，内部集成A/D转换器、PWM发生器、CAN通讯接口、SPI接口以及XINTF接口，驱动板上的核心功率器件采用了4个单管MOSFET单元IPD600N25N3来实现，其驱动芯片也为的驱动芯片6EDL04N06，利用其中四路做为功率器件的驱动单元，该芯片具有过流、过压保护功能。绕组A采用H桥结构的驱动电路，其开关频率大于12kHz，本装置中设定为20kHz；绕组B和绕组A都通过同一个DSP加以控制，不同之处在于采用基于Howland电路的恒电流源驱动方法，其线性放大电路采用线性运放OPA548，该芯片为电流型运放，其频响大于200kHz，其指令信号通过DSP外置的DA芯片TLV5630来获得，整体的控制硬件平台包括PC机、DSP控制板、开关功率驱动以及线性运算放大器、开关电源以及D/A转换器构成。

作为本发明的一个实施例，电流传感器分别检测双绕组音圈电机的绕组A和绕组B的电流，利用DSP芯片内部丰富的资源，在DSP内部完成三电平PWM算法、高通滤波器以及低通滤波器算法、PI调节算法、电流偏差补偿以及故障下的电流保护算法。

作为本发明的一个实施例，系统控制流程如图7所示，控制音圈电机驱动的软件算法功能方面相关的程序全部在主中断中执行，主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为20kHz，该主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，绕组A实施PWM开关驱动控制，其中包括：基于三电平的脉宽调制技术、绕组A的电流环PI调节器、绕组A和绕组B的AD采样及转换技术、故障保护封锁技术，给绕组B发送电流指令信号输出，其中包括：绕组A电流的高通滤波器和低通滤波器的设计、绕组A中波动电流量的提取、双绕组音圈电机系统的偏差补偿、DA输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。