[發明專利]雙繞組音圈電機推力補償系統

有效

• 申請號: 201310460562.X
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103595330A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 李立毅;潘東華;郭慶波;張成明;曹繼偉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02P25/06
• 分類號: H02P25/06
• 代理公司: 北京英特普羅知識產權代理有限公司 11015
• 代理人: 齊永紅;常春

技術領域

本發明涉及音圈電機，具體的講，涉及一種具有推力補償功能的音圈電機以及相應的驅動電路。?

背景技術

音圈電機(Voice?Coil?Motor，VCM)是基于洛倫茲力原理設計而成的一種電機，它能將電信號直接轉化成直線位移而不需要任何中間轉換機構。與其他類型的電動機相比，音圈電機具有許多優點，如結構簡單、體積小、重量輕、慣性小、比推力大等，具有廣闊的應用前景，主要應用在高精度、高頻激勵、快速和高加速度的定位系統中，在光學和測量系統、光學裝配以及航空航天方面也有廣泛的應用。?

目前在超高精度伺服控制領域音圈電機伺服驅動控制器的設計方案主要可以分為線性功率放大器方案和PWM（脈寬調制）功率變換器方案。當超高精度伺服系統采用線性功率放大器方案進行設計時，具有電流響應快，消除了系統由于開關器件開關斬波所產生的推力紋波，提高了輸出推力的穩定性。但是當采用線性功率放大器方案時，首先存在著電流響應存在超調，同時存在電流躍變時的非線性區。其次控制器的設計受到的限制較大，高性能控制的難度較高。并且當超高精度伺服系統采用線性功率放大器方案進行設計時，系統器件發熱量大，能量損耗較多。超精定位伺服系統的一重要發展方向是高過載、高加速度，無疑對元器件的功率等級要求更高，線性功率放大器方案已經愈來愈難以滿足超高精度伺服控制系統功率的需求。?

而當超高精度伺服系統采用PWM功率變換器方案進行設計時，由于采用數字處理器對系統的控制信號進行控制，使得音圈電機伺服控制系統的控制系統設計更加的靈活，可以采用更多更復雜的控制方式對系統的驅動性能進行控制，同時系統具有響應速度快，效率高的優點。但是采用PWM功率變換器方案也存在著一定的不足。首先由于開關器件開關斬波不可避免的在系統中會產生電流紋波，從而電流波動所引起的推力波動（由開關器件開關斬波在系統中所產生的推力波動在下文中統稱推力波動）會對超高精度音圈電機伺服驅動控制系統的控制性能產生較大的影響。其次采用PWM功率變換器方案時為防止?開關電路上下橋臂的直通而設置的死區時間也會在驅動系統中引起不穩定現象。?

目前，為了減小PWM功率變換器方案在系統中產生的推力波動，往往采用高開關頻率的驅動方式。例如，設計者為了減小推力波動將開關器件的開關頻率提升到200kHz，此時，相比于傳統伺服電機驅動控制系統所采用的10kHz的開關頻率，系統的推力波動減小為原來的5%，但是與此同時，由于開關器件的開關頻率提升到了原來的20倍，開關器件的開關損耗也將提升到了原來的20倍，同時由于開關器件的開關頻率上升，對開關器件的要求也將提升，驅動系統的成本加大。并且，提升開關頻率也將提高控制系統的控制難度和驅動系統驅動電路的設計難度，大大降低了系統的穩定性。?

根據前文的分析，可知，當音圈電機伺服控制系統采用傳統PWM功率變換器方案時其系統結構簡圖如圖13所示，由于系統中開關器件的開關斬波，會在主繞組中產生電流波動，從而引起音圈電機伺服系統輸出推力的波動。?

傳統伺服所采用的10kHz下，音圈電機伺服驅動系統的輸出推力如圖14A至14C所示。?

從圖14A至14C中可以看出，此時音圈電機伺服系統在輸出小推力狀態下，系統的輸出推力波動的范圍為9.3398N～3.3324N，輸出平均推力為6.3361N，輸出推力波動的峰峰值為6.0074N。?

若按照目前常規的對系統輸出推力波動的解決辦法，將系統驅動電路的開關頻率提升至200kHz時，此時系統輸出推力的仿真波形如圖15A至15C所示。?

可以看出，當系統驅動電路的開關頻率提升到200kHz時，系統的輸出推力的波動范圍為6.9954N～6.6935N，輸出推力波動的峰峰值為0.3019N，輸出推力波動相比于10kHz的開關頻率減小為原來的5%。?

發明內容

針對超高精度伺服控制領域中音圈電機伺服驅動控制系統中采用PWM功率變換器控制方案時的推力波動對系統所產生的影響，本發明提出了如下的方案來在不提高系統PWM開關頻率的基礎上有效的減小采用PWM功率變換器方案時的系統的推力波動，提?高系統的工作性能，降低系統驅動電路的設計難度，加強系統的穩定性，減小系統的損耗。?

本發明的目的之一在于克服現有技術的不足之處，提供一種新的系統來消除或避免采用PWM功率變換器方案時所產生的推力波動對系統伺服性能所產生的影響。?