一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法技术

本发明专利技术公开了一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、计算单极性调制方式下音圈电机输出平均电流；步骤2、利用步骤1得到的单极性调制方式下音圈电机输出平均电流，对占空比生成算法叠加正弦形式颤振脉宽；步骤3、利用步骤2所设计的叠加了正弦形式颤振的脉宽调制占空比生成算法控制音圈电机，完成颤振调节。解决了现有技术中存在的消除和补偿音圈电机迟滞特性需要数学建模，过程繁琐的问题。过程繁琐的问题。过程繁琐的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法


[0001]本专利技术属于音圈电机控制
，涉及一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法。

技术介绍

[0002]音圈电机是基于洛伦兹力原理制造的一种特殊形式的直流直线电机，即通电线圈在磁场中产生驱动力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例关系。开关方式即脉宽调制技术驱动的音圈电机具有响应快、无滞后、力特性好、效率高、接口简单、抗干扰等优点，广泛应用在半导体光刻设备、精密机床、光学电子显微镜以及激光通信等系统。
[0003]减少开关方式音圈电机的响应时间和提高定位精度有利于提高生产效率和增加效益。但是音圈电机以高频、高速和高加速度方式工作时，却表现出非常显著的非单调复杂迟滞特性，即输入电压和输出位移之间存在非线性关系，从而导致定位误差，严重影响音圈电机定位精度。因此分析和补偿音圈电机的迟滞特性成为国内外研究重点。
[0004]音圈电机的迟滞特性影响因素众多，包括残留磁场、磁场不均匀、摩擦力和重力场等因素。为了消除或补偿音圈电机迟滞特性，固然可以在制造音圈电机时尽量提高加工和装配工艺水平，但是采用控制方法对迟滞进行改善更为实际。目前采用的控制方法有基于模型前馈控制、高增益反馈控制和电荷放大器三种。其中，基于模型前馈控制尽管能有效地消除迟滞特性，但是建模非常复杂。高增益反馈控制借助陷波器减少迟滞特性，但是当模型参数变化或外界环境变化时特性下降严重。采用电荷放大器实现固然容易，但是在电路中设置的偏置电压环节严重影响控制性能。

技术实现思路
/>[0005]本专利技术的目的是提供一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，解决了现有技术中存在的消除和补偿音圈电机迟滞特性需要数学建模，过程繁琐的问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、计算单极性调制方式下音圈电机输出平均电流；
[0008]步骤2、利用步骤1得到的单极性调制方式下音圈电机输出平均电流，对占空比生成算法叠加正弦形式颤振脉宽；
[0009]步骤3、利用步骤2所设计的叠加了正弦形式颤振的脉宽调制占空比生成算法控制音圈电机，完成颤振调节。
[0010]本专利技术的特点还在于：
[0011]步骤1中单极性调制方式下音圈电机的驱动电路中，驱动电路的输入电源电压为正电压+U和负电压
‑
U；开关管T1和续流二极管D1构成上桥臂，开关管T2和续流二极管D2构成下桥臂，桥臂的脉宽调制驱动信号分别为PWM1和PWM2，PWM1控制上桥臂的开通和关断，PWM2控制下桥臂的开通和关断,正向工作时开关管T1、续流二极管D2和负载构成降压电路，反向
工作时T2、续流二极管D2和负载构成降压电路；电阻R和电感L串联表示的音圈电机等效模型即负载接在两个桥臂的中点和地之间。
[0012]步骤1具体按照以下实施：
[0013]当电路进入稳态时且T1导通时0≤t≤DT，设电流为i1，由基尔霍夫电压定律可知：
[0014][0015]其中，U为电压，R为音圈电机线圈的等效电阻，L为音圈电机线圈的等效电感；
[0016]令此阶段的电流初值为I
10
，定义求解上述微分方程可得：
[0017][0018]式中，e为自然对数的底数，t为时间变量；
[0019]当T1关断时，D2开通，设此时电流为i2，由基尔霍夫电压定律可知：
[0020][0021]令此阶段得电流初值为I
20
,求解上述方程可得：
[0022][0023]式中，t
on
为开关管T1的导通时间即脉宽调制波为高电平的时间，t为时间变量且t≥t
on
；
[0024]因为电路处于稳态，可知：
[0025]I
10
＝i2(T)＝I
min
，I
20
＝i1(DT)＝I
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]式中，i2(T)为电流i2在T时刻的值，i1(DT)为电流i1在DT时刻的值，I
min
为负载电流的最小值，I
max
为负载电流的最大值；
[0027]则由上式可得：
[0028][0029][0030]式中，t1＝DT为开关管T1的导通的终点；
[0031]输出电流在一个周期内的均值可近似为：
[0032][0033]式中，D为占空比，T为PWM波的周期，公式(8)即为音圈电机输出电流的平均值。
[0034]步骤2具体按照以下实施：
[0035]定义颤振信号调制比：
[0036][0037]显然ρ∈[0,1]，取正弦形式的颤振附加电流为：
[0038][0039]式中参数ω＝2π/T2，周期T2＝(20～100)T1，正整数k∈N；I
d0
为不加颤振时的电流；
[0040]最终的电流为：
[0041][0042]式中，I
di
为式(10)所示的正弦形式的颤振附加电流；
[0043]对公式(6)采用泰勒级数近似后可得:
[0044][0045]由公式(8)可得：
[0046][0047]由上式可知：
[0048][0049]式中，D
k
为式(11)所示的叠加了颤振电流之后负载电流所对应的占空比。
[0050]带入公式(11)可得到
[0051]D
k
＝D+pDsin(ωT1k)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0052]式中ρ∈[0,1]为颤振信号调制比，D为原始的占空比，D
k
为含有颤振电流时所对应的占空比。
[0053]步骤3具体为，利用公式(15)所示的占空比生成算法，产生相应的脉宽调制波形即PWM1或PWM2，从而控制开关管T1或T2的开通和关断，完成对音圈电机的控制。
[0054]本专利技术的有益效果是：本专利技术一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，解决了现有技术中存在的消除和补偿音圈电机迟滞特性需要数学建模，过程繁琐、电荷放大器类方法所需的外部偏置电压电路造成控制性能下降的问题，提高响应速度，改善线性度。将小幅低频颤振信号叠加到驱动音圈电机的脉宽调制输出信号，即使输出电压脉冲宽度呈正弦规律变化，因而使得流经线圈的平均电流呈正弦规律变化，这样就将静摩擦力转换为滑动摩擦力，从而减少从静止到启动的响应时间，可显著降低迟滞特性，对线性度也有一定改善。实现简单，不需要建立音圈电机迟滞特性的数学模型，避免了建模误差带来的不利影响；也不需要改变开关方式驱动音圈电机的硬件电路，降低了实现成本。
附图说明
[0055]图1是本专利技术一种降低开关方式驱动音本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、计算单极性调制方式下音圈电机输出平均电流；步骤2、利用步骤1得到的单极性调制方式下音圈电机输出平均电流，对占空比生成算法叠加正弦形式颤振脉宽；步骤3、利用步骤2所设计的叠加了正弦形式颤振的脉宽调制占空比生成算法控制音圈电机，完成颤振调节。2.根据权利要求1所述的一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，其特征在于，所述步骤1中单极性调制方式下音圈电机的驱动电路中，驱动电路的输入电源电压为正电压+U和负电压
‑
U；开关管T1和续流二极管D1构成上桥臂，开关管T2和续流二极管D2构成下桥臂，桥臂的脉宽调制驱动信号分别为PWM1和PWM2，PWM1控制上桥臂的开通和关断，PWM2控制下桥臂的开通和关断,正向工作时开关管T1、续流二极管D2和负载构成降压电路，反向工作时T2、续流二极管D2和负载构成降压电路；电阻R和电感L串联表示的音圈电机等效模型即负载接在两个桥臂的中点和地之间。3.根据权利要求2所述的一种降低开关方式驱动音圈电机迟滞误差的颤振方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下实施：当电路进入稳态时且T1导通时0≤t≤DT，设电流为i1，由基尔霍夫电压定律可知：其中，U为电压，R为音圈电机线圈的等效电阻，L为音圈电机线圈的等效电感；令此阶段的电流初值为I
10
，定义求解上述微分方程可得：式中，e为自然对数的底数，t为时间变量；当T1关断时，D2开通，此时电流为i2，由基尔霍夫电压定律可知：令此阶段得电流初值为I
20
,求解上述方程可得：式中，t
on
为开关管T1的导通时间即脉宽调制波为高电平的时间，t为时间变量且t≥t
on
；因为电路处于稳态，可知：I
10<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭会军，林遂芳，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：