[发明专利]双绕组音圈电机推力补偿系统

说明书

技术领域

本发明涉及音圈电机，具体的讲，涉及一种具有推力补偿功能的音圈电机以及相应的驱动电路。 

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。与其他类型的电动机相比，音圈电机具有许多优点，如结构简单、体积小、重量轻、惯性小、比推力大等，具有广阔的应用前景，主要应用在高精度、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。 

目前在超高精度伺服控制领域音圈电机伺服驱动控制器的设计方案主要可以分为线性功率放大器方案和PWM（脉宽调制）功率变换器方案。当超高精度伺服系统采用线性功率放大器方案进行设计时，具有电流响应快，消除了系统由于开关器件开关斩波所产生的推力纹波，提高了输出推力的稳定性。但是当采用线性功率放大器方案时，首先存在着电流响应存在超调，同时存在电流跃变时的非线性区。其次控制器的设计受到的限制较大，高性能控制的难度较高。并且当超高精度伺服系统采用线性功率放大器方案进行设计时，系统器件发热量大，能量损耗较多。超精定位伺服系统的一重要发展方向是高过载、高加速度，无疑对元器件的功率等级要求更高，线性功率放大器方案已经愈来愈难以满足超高精度伺服控制系统功率的需求。 

而当超高精度伺服系统采用PWM功率变换器方案进行设计时，由于采用数字处理器对系统的控制信号进行控制，使得音圈电机伺服控制系统的控制系统设计更加的灵活，可以采用更多更复杂的控制方式对系统的驱动性能进行控制，同时系统具有响应速度快，效率高的优点。但是采用PWM功率变换器方案也存在着一定的不足。首先由于开关器件开关斩波不可避免的在系统中会产生电流纹波，从而电流波动所引起的推力波动（由开关器件开关斩波在系统中所产生的推力波动在下文中统称推力波动）会对超高精度音圈电机伺服驱动控制系统的控制性能产生较大的影响。其次采用PWM功率变换器方案时为防止 开关电路上下桥臂的直通而设置的死区时间也会在驱动系统中引起不稳定现象。 

目前，为了减小PWM功率变换器方案在系统中产生的推力波动，往往采用高开关频率的驱动方式。例如，设计者为了减小推力波动将开关器件的开关频率提升到200kHz，此时，相比于传统伺服电机驱动控制系统所采用的10kHz的开关频率，系统的推力波动减小为原来的5%，但是与此同时，由于开关器件的开关频率提升到了原来的20倍，开关器件的开关损耗也将提升到了原来的20倍，同时由于开关器件的开关频率上升，对开关器件的要求也将提升，驱动系统的成本加大。并且，提升开关频率也将提高控制系统的控制难度和驱动系统驱动电路的设计难度，大大降低了系统的稳定性。 

根据前文的分析，可知，当音圈电机伺服控制系统采用传统PWM功率变换器方案时其系统结构简图如图13所示，由于系统中开关器件的开关斩波，会在主绕组中产生电流波动，从而引起音圈电机伺服系统输出推力的波动。 

传统伺服所采用的10kHz下，音圈电机伺服驱动系统的输出推力如图14A至14C所示。 

从图14A至14C中可以看出，此时音圈电机伺服系统在输出小推力状态下，系统的输出推力波动的范围为9.3398N～3.3324N，输出平均推力为6.3361N，输出推力波动的峰峰值为6.0074N。 

若按照目前常规的对系统输出推力波动的解决办法，将系统驱动电路的开关频率提升至200kHz时，此时系统输出推力的仿真波形如图15A至15C所示。 

可以看出，当系统驱动电路的开关频率提升到200kHz时，系统的输出推力的波动范围为6.9954N～6.6935N，输出推力波动的峰峰值为0.3019N，输出推力波动相比于10kHz的开关频率减小为原来的5%。 

发明内容

针对超高精度伺服控制领域中音圈电机伺服驱动控制系统中采用PWM功率变换器控制方案时的推力波动对系统所产生的影响，本发明提出了如下的方案来在不提高系统PWM开关频率的基础上有效的减小采用PWM功率变换器方案时的系统的推力波动，提 高系统的工作性能，降低系统驱动电路的设计难度，加强系统的稳定性，减小系统的损耗。 

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足之处，提供一种新的系统来消除或避免采用PWM功率变换器方案时所产生的推力波动对系统伺服性能所产生的影响。