一种音圈电机的控制方法及系统与流程

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种音圈电机的控制方法及系统。

背景技术：

随着科技产业不断进步与发展，新产品的迭代速度越来越快，对生产设备的高速高精的要求越来越严苛，音圈电机具有结构简单、体积小、重量轻、高速度、高加速度、高精度(直接驱动)和响应速度快等卓越特性，同时兼具有寿命长和运动频率高等优点，因此在高速高精设备上的应用越来越广泛。

由于很多工况中都需要对音圈电机进行位置控制和力控制，这些工况中就会涉及位置控制和力控制的切换，即位力切换，现在大多数的音圈电机在位力切换时，驱动器都是采用相同的增益方式，这种控制策略可以在一般不要求接触的工况下采用，但如果要求紧密接触的工况条件下，这种方式无法兼顾快速的位置跟随能力和精细的力控制，因而无法胜任紧密接触的工况，这大大限制了音圈电机的应用领域。

因此，如何提供一种能解决上述技术问题的方案，是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种音圈电机的控制方法，能够同时满足位置控制阶段和力控制阶段的不同要求，使音圈电机可以完成复杂的工艺，大大拓宽了音圈电机的应用范围。本发明的另一目的是提供一种音圈电机的控制系统，具有上述有益效果。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种音圈电机的控制方法，包括：

接收预设位置信息和根据预设作用力信息确定的预设电流信息；

根据所述预设位置信息通过位置闭环和基于高电流增益的电流闭环驱动所述音圈电机到达给定位置，其中，所述高电流增益为第一预设增益值到第二预设增益值范围内的增益；

获取所述音圈电机的电流，并判断所述电流是否大于预设电流阈值；

若是，则根据所述预设电流信息通过基于低电流增益的电流闭环驱动所述音圈电机形成的作用力达到指定作用力，其中，所述低电流增益为所述第一预设增益值到第三预设增益值范围内的增益，所述第二预设增益值小于所述第三预设增益值。

优选地，在所述根据所述预设位置信息通过位置闭环和高电流增益的电流闭环驱动所述音圈电机到达给定位置之前，该控制方法还包括：

根据所述预设位置信息确定的预设速度信息，通过速度闭环控制所述音圈电机的速度达到指定速度，以便所述音圈电机以所述指定速度到达所述给定位置。

优选地，在所述获取所述音圈电机的电流之后，所述判断所述电流是否大于预设电流阈值之前，该控制方法还包括：

对所述电流进行滤波处理。

优选地，所述对所述电流进行滤波处理的过程具体为：

对所述电流进行最小二乘法滤波处理。

优选地，在所述音圈电机未到达给定位置时，在所述位置闭环中，根据所述预设位置信息采用动态比例-积分-微分pid参数对所述音圈电机进行位置闭环控制；

在所述音圈电机到达给定位置时，在所述位置闭环中，根据所述预设位置信息采用静态pid参数对所述音圈电机进行位置闭环控制。

优选地，该控制方法还包括：

将所述位置闭环中的所述音圈电机反馈的位置进行滤波处理后再进行后续闭环控制。

优选地，该控制方法还包括：

将所述速度闭环中的所述音圈电机反馈的速度进行滤波处理后再进行后续闭环控制。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种音圈电机的控制系统，包括：

接收模块，用于接收预设位置信息和根据预设作用力信息确定的预设电流信息；

位置控制模块，用于根据所述预设位置信息通过位置闭环和基于高电流增益的电流闭环驱动所述音圈电机到达给定位置，其中，所述高电流增益为第一预设增益值到第二预设增益值范围内的增益；

电流检测模块，用于获取所述音圈电机的电流并发送给位力切换判断模块；

所述位力切换判断模块，用于判断所述电流是否大于预设电流阈值，若是，则触发力控制模块；

所述力控制模块，用于根据所述预设电流信息通过基于低电流增益的电流闭环驱动所述音圈电机形成的作用力达到指定作用力，其中，所述低电流增益为所述第一预设增益值到第三预设增益值范围内的增益，所述第二预设增益值小于所述第三预设增益值。

优选地，该控制系统还包括速度环控制器模块；

所述速度环控制器模块用于根据预设位置信息确定的预设速度信息，通过速度闭环控制所述音圈电机的速度达到指定速度，以便所述音圈电机以所述指定速度到达所述给定位置；

则所述接收模块还用于接收根据所述预设位置信息确定的所述预设速度信息。

优选地，该控制系统还包括电流反馈滤波模块；

所述电流反馈滤波模块用于将所述电流进行滤波处理，以便所述位力切换判断模块根据所述电流判断是否进行位力切换。

本发明提供了一种音圈电机的控制方法，本发明提供的控制方法在位置控制阶段采用位置闭环和高电流增益的电流闭环驱动音圈电机到达给定位置，然后根据音圈电机的电流判断是否进行位力切换，当切换为力控制时，采用低电流增益的电流闭环驱动音圈电机形成的作用力达到指定作用力，从而完成力控制，由于第二预设增益值小于所述第三预设增益值，说明高电流增益的增益范围小于低电流增益的增益范围，而在位置控制阶段和力控制阶段采用同一个音圈电机，音圈电机的最大电流是相等的，电流的增益范围相当于音圈电机的最小电流和最大电流的范围，电流的增益范围越大，驱动音圈电机的电流变化越慢、越精确，电流的增益范围越小，驱动音圈电机的电流变化越快，可见，位置控制阶段采用高电流增益可以保证音圈电机快速地到达给定位置，而力控制阶段采用低电流增益可以保证不同的工艺对力控制的精细和准确的要求，这种控制方式能够同时满足位置控制阶段和力控制阶段的不同要求，使音圈电机可以完成复杂的工艺，大大拓宽了音圈电机的应用范围。

本发明还提供了一种音圈电机的控制系统，与上述音圈电机的控制方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种音圈电机的控制方法的流程示意图；

图2为本发明所提供的一种音圈电机的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种音圈电机的控制方法，能够同时满足位置控制阶段和力控制阶段的不同要求，使音圈电机可以完成复杂的工艺，大大拓宽了音圈电机的应用范围。本发明的另一核心是提供一种音圈电机的控制系统，具有上述有益效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种音圈电机的控制方法的流程示意图，该方法包括：

步骤s11：接收预设位置信息和根据预设作用力信息确定的预设电流信息；

具体地，音圈电机在实际工作过程中有两种工作模式，一种为位置控制模式，另外一种为力控制模式，分别对应不同的工艺需求。位置控制中至少包含两个嵌套串级控制环路，即位置闭环和电流闭环，力控制模式包含一个控制环路，即电流闭环。也就是说，位置控制阶段是通过位置闭环和电流闭环实现音圈电机到达给定位置，而力控制阶段只通过电流闭环来实现音圈电机产生的作用力达到指定作用力。根据预设的位置信息规划出理想的位置曲线，实现音圈电机的可靠位置给定，作用力信息与音圈电机的电流存在一一对应关系，可以预先根据作用力信息完成复杂的力曲线规划，以保证在力接触阶段、力控制阶段多段、力释放阶段能顺利的过渡，其各个力控制阶段的力大小、力持续时间均可以调整，能满足力控制阶段的复杂工艺要求，然后根据力曲线对应得到预设电流信息，可以实现力控制阶段的电流环的给定。

步骤s12：根据预设位置信息通过位置闭环和基于高电流增益的电流闭环驱动音圈电机到达给定位置，其中，高电流增益为第一预设增益值到第二预设增益值范围内的增益；

具体地，针对位置控制阶段，电流闭环选用高电流增益，即电流闭环的比例参数采用高电流增益，这里的高电流增益是对模拟信号的放大倍数，高电流增益的增益范围较小，也就是把音圈电机可承受的电流范围与增益范围一一对应，当增益范围比较小时，同样的增益变化对应的电流变化较大，这就导致位置控制阶段音圈电机的速度变化较快，响应快，实现了快速的位置跟随能力与好的动态特性。

需要说明的是，这里的第一预设增益值和第二预设增益值是预先设置好的，是根据音圈电机可承受的电流范围以及想要的增益范围得到的，只需设置一次，除非需要修改增益范围，否则不需要重新设置。

步骤s13：获取音圈电机的电流；

具体地，当音圈电机到达给定位置时，由于接触到工艺中的物体表面，音圈电机就会发生堵转等情况造成音圈电机的电流快速升高，本发明通过反馈回来的音圈电机的实际电流作为位力切换的条件，而现有技术中均是通过力传感器检测的作用力作为位力切换的条件，本发明通过检测音圈电机的电流来完成位力切换，无需力传感器也达到了位力切换的目的，通过音圈电机的电流实现位力切换的方式更可靠，也简化了控制系统的硬件结构。此外，可以通过霍尔电流传感器获取音圈电机的电流，也可以通过其他方式，本发明在此不做限定。

步骤s14：判断电流是否大于预设电流阈值；若是，则进入步骤s15；

步骤s15：根据预设电流信息通过基于低电流增益的电流闭环驱动音圈电机形成的作用力达到指定作用力，其中，低电流增益为第一预设增益值到第三预设增益值范围内的增益，第二预设增益值小于第三预设增益值。

具体地，音圈电机到达给定位置时，音圈电机就会发生堵转等情况造成音圈电机的电流快速升高，当音圈电机的电流高于预设电流阈值时，说明音圈电机该进入力控制阶段，需要进行位力切换，当音圈电机处于力控制阶段时，电流闭环选用低电流增益，即电流闭环的比例参数采用低电流增益，这里的低电流增益是对模拟信号的放大倍数，低电流增益的增益范围较大，同样的增益变化对应的电流变化较小，这就导致力控制阶段音圈电机的速度变化较缓，这样可以实现力控制阶段的更精细控制，使音圈电机在力控制阶段可以完成复杂的工艺要求。可见，本发明是采用了两种增益模式，即高电流增益和低电流增益，驱动音圈电机，采用这种新颖的驱动策略，能分别增强两种控制阶段不同的性能要求，不必为了迁就彼此，而做出折中的妥协，两种控制阶段都可以达到整体上的最优。

本发明提供了一种音圈电机的控制方法，本发明提供的控制方法在位置控制阶段采用位置闭环和高电流增益的电流闭环驱动音圈电机到达给定位置，然后根据音圈电机的电流判断是否进行位力切换，当切换为力控制时，采用低电流增益的电流闭环驱动音圈电机形成的作用力达到指定作用力，从而完成力控制，由于第二预设增益值小于第三预设增益值，说明高电流增益的增益范围小于低电流增益的增益范围，而在位置控制阶段和力控制阶段采用同一个音圈电机，音圈电机的最大电流是相等的，电流的增益范围相当于音圈电机的最小电流和最大电流的范围，电流的增益范围越大，驱动音圈电机的电流变化越慢、越精确，电流的增益范围越小，驱动音圈电机的电流变化越快，可见，位置控制阶段采用高电流增益可以保证音圈电机快速地到达给定位置，而力控制阶段采用低电流增益可以保证不同的工艺对力控制的精细和准确的要求，这种控制方式能够同时满足位置控制阶段和力控制阶段的不同要求，使音圈电机可以完成复杂的工艺，大大拓宽了音圈电机的应用范围。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，在根据预设位置信息通过位置闭环和高电流增益的电流闭环驱动音圈电机到达给定位置之前，该控制方法还包括：

根据预设位置信息确定的预设速度信息，通过速度闭环控制音圈电机的速度达到指定速度，以便音圈电机以指定速度到达给定位置。

具体地，考虑到位置控制阶段电流的变化比较大，很可能造成音圈电机速度波动较大，为了使音圈电机平稳地到达给定位置，可以在位置控制阶段增加速度闭环，保证速度的准确跟随能力。将预设位置信息得到的位置曲线对时间微分后就可以得到预设速度信息，然后通过速度闭环控制音圈电机的速度以指定速度平稳到达给定位置，当然速度闭环控制可以采用比例-积分-微分pid参数进行控制，也可以采用比例-积分pi参数控制，本发明在此不做限定。

作为一种优选的实施例，在获取音圈电机的电流之后，判断电流是否大于预设电流阈值之前，该控制方法还包括：

对电流进行滤波处理。

具体地，对反馈回来的音圈电机的电流进行滤波处理，可以消除电流噪声，使检测的电流信息更加准确可靠，通过滤波处理，可以防止位力切换的误判断，使音圈电机的切换更为可靠，增强了音圈电机位力切换的抗干扰能力。

作为一种优选的实施例，对电流进行滤波处理的过程具体为：

对电流进行最小二乘法滤波处理。

具体地，采用最小二乘法滤波算法对反馈回来的音圈电机电流进行滤波处理，可以消除电流噪声，使反馈的电流信息更加稳定可靠，防止位力切换的误判断，而最小二乘法滤波算法的计算量小，可以保证控制过程的实时性。需要说明的是，除了最小二乘法滤波算法外，还可以采用其他的滤波方法，本发明在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，在音圈电机未到达给定位置时，在位置闭环中，根据预设位置信息采用动态比例-积分-微分pid参数对音圈电机进行位置闭环控制；

在音圈电机到达给定位置时，在位置闭环中，根据预设位置信息采用静态pid参数对音圈电机进行位置闭环控制。

具体地，在位置控制阶段，除了电流闭环的增益采用高电流增益外，位置闭环可以采用动态pid参数和静态pid参数的两组参数来进行无误差位置跟踪，也就是说，在音圈电机未到达给定位置时，音圈电机的速度不为0，对音圈电机的控制为动态控制过程，这时采用动态pid参数，当音圈电机到达给定位置时，控制音圈电机的速度为0，这时控制音圈电机在给定位置停留的控制过程即为静态控制过程，这时采用静态pid参数，通过设定不同的pid参数，可以满足不同阶段的性能要求，使得控制更有针对性，也更准确，改善了控制性能。

需要说明的是，除了可以采用两组pid参数进行控制，也可以采用其他闭环控制方式，本发明在此不做限定。

作为一种优选的实施例，该控制方法还包括：

将位置闭环中的音圈电机反馈的位置进行滤波处理后再进行后续闭环控制。

具体地，将音圈电机实际反馈回来的实时位置信号进行滤波处理，可以消除反馈过程中一些非线性波动，例如检测音圈电机位置的编码器的震动，对整个运动控制系统的影响，保证整个控制环路的稳定性，增强了控制过程的平稳性和准确性。当然，具体采用什么方式进行滤波可以根据实际情况来选择，本发明在此不做限定。

作为一种优选的实施例，该控制方法还包括：

将速度闭环中的音圈电机反馈的速度进行滤波处理后再进行后续闭环控制。

具体地，将音圈电机实际反馈回来的速度信号进行滤波处理，可以消除反馈过程中一些非线性波动，例如检测音圈电机速度的编码器的震动，对整个运动控制系统的影响，增强了控制过程的平稳性和准确性。当然，具体采用什么方式进行滤波可以根据实际情况来选择，本发明在此不做限定。

请参考图2，图2为本发明所提供的一种音圈电机的控制系统的结构示意图，包括：

接收模块1，用于接收预设位置信息和根据预设作用力信息确定的预设电流信息；

位置控制模块2，用于根据预设位置信息通过位置闭环和基于高电流增益的电流闭环驱动音圈电机到达给定位置，其中，高电流增益为第一预设增益值到第二预设增益值范围内的增益；

电流检测模块3，用于获取音圈电机的电流并发送给位力切换判断模块4；

位力切换判断模块4，用于判断电流是否大于预设电流阈值，若是，则触发力控制模块5；

力控制模块5，用于根据预设电流信息通过基于低电流增益的电流闭环驱动音圈电机形成的作用力达到指定作用力，其中，低电流增益为第一预设增益值到第三预设增益值范围内的增益，第二预设增益值小于第三预设增益值。

作为一种优选的实施例，该控制系统还包括速度环控制器模块；

速度环控制器模块用于根据预设位置信息确定的预设速度信息，通过速度闭环控制音圈电机的速度达到指定速度，以便音圈电机以指定速度到达给定位置；

则接收模块1还用于接收根据预设位置信息确定的预设速度信息。

作为一种优选的实施例，该控制系统还包括电流反馈滤波模块；

电流反馈滤波模块用于将电流进行滤波处理，以便位力切换判断模块4根据电流判断是否进行位力切换。

对于本发明提供的音圈电机的控制系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。