[發(fā)明專利]雙繞組音圈電機(jī)推力補(bǔ)償系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310460563.4
• 申請(qǐng)日: 2013-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN103607150A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李立毅;潘東華;郭慶波;王明義;熊思亞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P7/298
• 分類號(hào): H02P7/298;H02M3/10
• 代理公司: 北京英特普羅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11015
• 代理人: 齊永紅;常春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及音圈電機(jī)，具體的講，涉及具有推力補(bǔ)償功能的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。?

背景技術(shù)

音圈電機(jī)(Voice?Coil?Motor，VCM)是基于洛倫茲力原理設(shè)計(jì)而成的一種電機(jī)，它能將電信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成直線位移而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。與其他類型的電動(dòng)機(jī)相比，音圈電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、慣性小、比推力大等，具有廣闊的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用在高精度、高頻激勵(lì)、快速和高加速度的定位系統(tǒng)中，在光學(xué)和測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)裝配以及航空航天方面也有廣泛的應(yīng)用。?

目前在超高精度伺服控制領(lǐng)域音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案主要可以分為線性功率放大器方案和PWM功率變換器方案。當(dāng)超高精度伺服系統(tǒng)采用線性功率放大器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，具有電流響應(yīng)快，消除了系統(tǒng)由于開關(guān)器件開關(guān)斬波所產(chǎn)生的推力紋波，提高了輸出推力的穩(wěn)定性。但是當(dāng)采用線性功率放大器方案時(shí)，首先存在著電流響應(yīng)存在超調(diào)，同時(shí)存在電流躍變時(shí)的非線性區(qū)。其次控制器的設(shè)計(jì)受到的限制較大，高性能控制的難度較高。并且當(dāng)超高精度伺服系統(tǒng)采用線性功率放大器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)器件發(fā)熱量大，能量損耗較多。超精定位伺服系統(tǒng)的一重要發(fā)展方向是高過(guò)載、高加速度，無(wú)疑對(duì)元器件的功率等級(jí)要求更高，線性功率放大器方案已經(jīng)愈來(lái)愈難以滿足超高精度伺服控制系統(tǒng)功率的需求。?

而當(dāng)超高精度伺服系統(tǒng)采用PWM功率變換器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于采用數(shù)字處理器對(duì)系統(tǒng)的控制信號(hào)進(jìn)行控制，使得音圈電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加的靈活，可以采用更多更復(fù)雜的控制方式對(duì)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行控制，同時(shí)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，效率高的優(yōu)點(diǎn)。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(guān)器件開關(guān)斬波不可避免的在系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生電流紋波，從而電流波動(dòng)所引起的推力波動(dòng)（由開關(guān)器件開關(guān)斬波在系統(tǒng)中所產(chǎn)生的推力波動(dòng)在下文中統(tǒng)稱推力波動(dòng)）會(huì)對(duì)超高精度音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生較大的影響。其次采用PWM功率變換器方案時(shí)為防止開關(guān)電路上下橋臂的直通而設(shè)置的死區(qū)時(shí)間也會(huì)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引起不穩(wěn)定現(xiàn)象。?

目前，為了減小PWM功率變換器方案在系統(tǒng)中產(chǎn)生的推力波動(dòng)，往往采用高開關(guān)頻率的驅(qū)動(dòng)方式。例如，設(shè)計(jì)者為了減小推力波動(dòng)將開關(guān)器件的開關(guān)頻率提升到200kHz，此時(shí)，相比于傳統(tǒng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)所采用的10kHz的開關(guān)頻率，系統(tǒng)的推力波動(dòng)減小為原來(lái)的5%，但是與此同時(shí)，由于開關(guān)器件的開關(guān)頻率提升到了原來(lái)的20倍，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也將提升到了原來(lái)的20倍，同時(shí)由于開關(guān)器件的開關(guān)頻率上升，對(duì)開關(guān)器件的要求也將提升，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本加大。并且，提升開關(guān)頻率也將提高控制系統(tǒng)的控制難度和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。?

對(duì)超高精度伺服控制領(lǐng)域中音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制器的研究熱點(diǎn)主要有兩個(gè)方向，一是提高線性功率放大器的功率等級(jí)和響應(yīng)速度，從而獲得更加的系統(tǒng)伺服控制性能，二是研究如何減小PWM功率變換器方案下的系統(tǒng)的推力波動(dòng)，提高系統(tǒng)的控制性能。?

根據(jù)前文的分析，可知，當(dāng)音圈電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用PWM功率變換器方案時(shí)如圖24所示，由于系統(tǒng)中開關(guān)器件的開關(guān)斬波，會(huì)在主繞組中產(chǎn)生電流波動(dòng)，從而引起音圈電機(jī)伺服系統(tǒng)輸出推力的波動(dòng)，如圖23所示。?

傳統(tǒng)伺服所采用的10kHz下，音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出推力如圖25A至25C所示。?

從圖25A至25C中可以看出，此時(shí)音圈電機(jī)伺服系統(tǒng)在輸出小推力狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出推力波動(dòng)的范圍為9.3398N～3.3324N，輸出平均推力為6.3361N，輸出推力波動(dòng)的峰峰值為6.0074N。?

若按照目前常規(guī)的對(duì)系統(tǒng)輸出推力波動(dòng)的解決辦法，將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率提升至200kHz時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)輸出推力的仿真波形如圖26A至26C所示。?

可以看出，當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率提升到200kHz時(shí)，系統(tǒng)的輸出推力的波動(dòng)范圍為6.9954N～6.6935N，輸出推力波動(dòng)的峰峰值為0.3019N，輸出推力波動(dòng)相比于10kHz的開關(guān)頻率減小為原來(lái)的5%。?

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)超高精度伺服控制領(lǐng)域中音圈電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中采用PWM功率變換器?控制方案時(shí)的推力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)了如下的方案來(lái)在不提高系統(tǒng)PWM開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上有效的減小采用PWM功率變換器方案時(shí)的系統(tǒng)的推力波動(dòng)，提高系統(tǒng)的工作性能，降低系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的損耗。?