一种双绕组音圈电机及其复合驱动控制方法与流程

本发明涉及电机驱动控制领域，特别是涉及光刻机系统、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复合驱动控制方法。

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，导致整体推力波动大，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，因此急需一种能够满足高频响、高精度、大功率的驱动控制方法来抑制电流纹波，提高音圈电机系统的输出精度。

技术实现要素：

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种能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的双绕组音圈电机及其复合驱动控制方法。

技术方案：一种双绕组音圈电机，包括绕组A、绕组B，所述的绕组A与绕组B共用同一个磁芯，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通过开关功率驱动器连接主控芯片，绕组B通过线性模拟器连接主控芯片，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采用独立的两电平H桥结构的驱动电路，其开关频率大于16kHz，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OPA541，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的复合驱动控制方法，其步骤如下：

步骤1：将音圈电机设定为双绕组结构，即在同一磁极下安装两个绕组，分别用绕组A来产生主推力，以及用绕组B来产生小推力来抑制产生的纹波推力；

步骤2：对绕组A采用双极性PWM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的电流环完全由模拟控制实现，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。

进一步的，由于双极性PWM开关控制的功率器件工作在饱和区域，因此会产生不可控制的电流纹波，其电流纹波如公式(1)所示，然而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，因此只要对绕组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：绕组A中产生的电流纹波：

Δi₁≈U_dc/2fL (1)

ΔF₁≈k_f1Δi₁ (2)

Δi₂≈ΔF₁/k_f2 (3)

其中，Δi₁代表着绕组A在双极性PWM开关方案中产生的电流纹波，Δi₂代表绕组B需要提供的用来补偿绕组A中推力波动的所需电流，k_f1,k_f2分别代表着绕组A和绕组B的推力系数，U_dc,f,L分别代表着直流母线电压、绕组A中功率器件的开关频率以及绕组A中的电感。

进一步的，控制音圈电机驱动的软件算法功能程序全部在主中断中执行，该主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为20kHz，软件中执行的算法为对绕组A实施PWM开关驱动控制，其中包括：双极性脉宽调制技术、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；对绕组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、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内部完成双极性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，及相应的驱动控制方法，解决音圈电机在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，满足了高频响、高精度、大功率的驱动控制方法来抑制电流纹波，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。

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框图。

图4为硬件结构示意图。

图5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。

由图1所示一种双绕组音圈电机，具有两个绕组，包括绕组A、绕组B，所述的绕组A与绕组B共用同一个磁芯，且相互独立无耦合关系，绕组A匝数大于绕组B匝数，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。

作为本发明的一个实施例，所述的绕组A通过开关功率驱动器连接主控芯片，绕组B通过线性模拟器连接主控芯片，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；

作为本发明的一个实施例，对应的电机驱动控制方法如图2所示，对绕组A即主绕组采用基于双极性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，用来提供和绕组A纹波相反的纹波推力；由于双极性PWM开关控制的功率器件工作在饱和区域，因此会产生不可控制的电流纹波，其电流纹波如公式(1)所示，然而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，因此只要对绕组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。

绕组A中产生的电流纹波：

Δi₁≈U_dc/2fL (1)

绕组A产生的推力纹波：

ΔF₁≈k_f1Δi₁ (2)

绕组B中需要提供的补偿电流：

Δi₂≈ΔF₁/k_f2 (3)

其中，Δi₁代表着绕组A在双极性PWM开关方案中产生的电流纹波，Δi₂代表绕组B需要提供的用来补偿绕组A中推力波动的所需电流，k_f1,k_f2分别代表着绕组A和绕组B的推力系数，U_dc,f,L分别代表着直流母线电压、绕组A中功率器件的开关频率以及绕组A中的电感。

作为本发明的一个实施例，双绕组音圈电机驱动控制原理框图如图3所示,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产生的纹波推力，实现音圈电机系统对纹波的抑制；

作为本发明的一个实施例，如图3，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，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，如图4所示，在驱动控制方面，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，采用C语言编程模式，所述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，该芯片具有过流、过压保护功能，绕组A采用独立的两电平H桥结构的驱动电路，其开关频率大于16kHz，本装置中设定为20kHz，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OPA541，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模拟驱动器、开关电源以及D/A转换器构成。

一种双绕组音圈电机的复合驱动控制方法，其步骤如下：

步骤1：将音圈电机设定为双绕组结构，即在同一磁极下安装两个绕组，分别用绕组A来产生主推力，以及用绕组B来产生小推力来抑制产生的纹波推力；

步骤2：对绕组A采用双极性PWM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的电流环完全由模拟控制实现，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。

作为本发明的一个实施例，系统通过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内部完成双极性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。

作为本发明的一个实施例，系统控制流程如图5所示，依据图5中的控制流程，所有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，该主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为20kHz。具体在软件中执行的算法可以分为以下两个步骤：

一方面，对绕组A实施PWM开关驱动控制。其中包括：双极性脉宽调制技术、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。

另一方面，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、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。