双绕组音圈电机推力补偿系统技术方案

一种双绕组音圈电机推力补偿系统，用于驱动具有设置于每对主绕组之间的副绕组的音圈电机；其中，主绕组为音圈电机的主要工作绕组，提供音圈电机驱动系统工作中所需要的输出电磁推力；副绕组为补偿绕组，提供与主绕组相反的推力波动，对主绕组的推力波动进行补偿，从而使得音圈电机主绕组与副绕组输出推力的合力保持恒定。本发明专利技术提出的该方案不仅能够极大的削弱了音圈电机伺服系统的推力波动，并且能够使得系统在较低的开关频率下实现对音圈电机伺服驱动控制系统超高精度控制，提高了系统的稳定性，减小了系统的损耗，并且大大降低了驱动控制器的成本。

【技术实现步骤摘要】
双绕组音圈电机推力补偿系统
本专利技术涉及音圈电机，具体的讲，涉及具有推力补偿功能的音圈电机驱动控制系统。
技术介绍
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IOkHz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。对超高精度伺服控制领域中音圈电机伺服驱动控制器的研究热点主要有两个方向，一是提高线性功率放大器的功率等级和响应速度，从而获得更加的系统伺服控制性能，二是研究如何减小PWM功率变换器方案下的系统的推力波动，提高系统的控制性能。根据前文的分析，可知，当音圈电机伺服控制系统采用PWM功率变换器方案时如图24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，如图23所示。传统伺服所米用的IOkHz下,音圈电机伺服驱动系统的输出推力如图25A至25C所示。从图25A至25C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26A至26C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IOkHz的开关频率减小为原来的5%。
技术实现思路
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，本专利技术设计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。专利技术的一个方面提供了一种双绕组音圈电机推力补偿系统,包括设置于音圈电机的每对主绕组之间的副绕组；主绕组为音圈电机的主要工作绕组，提供音圈电机驱动系统工作中所需要的输出电磁推力；副绕组为补偿绕组，提供与主绕组相反的推力波动，对主绕组的推力波动进行补偿，从而使得音圈电机主绕组与副绕组输出推力的合力保持恒定。优选的是，主绕组由基于一个或者两个独立的受控电压源供电的主绕组开关驱动电路驱动。优选的是，副绕组由基于两个独立的受控电压源供电的副绕组开关驱动电路驱动。优选的是，主绕组、副绕组的驱动电路是H型全桥驱动电路。优选的是，副绕组驱动电路采用两个独立受控电压源，即第二直流电压源和第三直流电压源供电，并且该第二直流电压源和第三直流电压源通过Buck直流斩波调压电路、Boost直流斩波调压电路或Buck-Boost斩波调压电路来进行获得来进行获得。优选的是，主绕组采用两个独立的受控电压源供电的主绕组开关驱动电路驱动，并且主绕组双电源驱动电路的电源，即第一、第四直流电压源可以通过Buck直流斩波电路来获得。本专利技术提出的该方案不仅能够极大的削弱了音圈电机伺服系统的推力波动，并且能够使得系统在较低的开关频率下实现对音圈电机伺服驱动控制系统超高精度控制，提高了系统的稳定性，减小了系统的损耗，并且大大降低了驱动控制器的成本。【附图说明】图1不出了一对极双绕组音圈电机；图2A示出了主、副绕内外层式绕制；图2B为主、副绕内外层式绕制剖开图；图2C为主、副绕上下层式绕制立体图；图2D为主、副绕上下层式绕制剖开图； 图3A至3C给出了填缝式主、副绕组绕制方式；图4A为多极双绕组音圈电机的结构示意图；图4B为多极双绕组音圈电机的结构示意图；图5A示出了主、副绕组上下层绕制的方式与磁钢、永磁体的设置关系；图5B示出了主、副绕组内外层绕制的方式与磁钢、永磁体的设置关系；图6为单电源主副绕组输出推力的补偿关系图；图7为原始单电源推力补偿系统示意图；图8为双电源全桥驱动电路结构简图；图9为双电源推力补偿控制系统推力补偿效果示意图；图1OA为基于本专利技术的第一种实施方式的改进型双绕组推力补偿系统的结构框图；图1OB为基于本专利技术的第一种实施方式的改进型双绕组推力补偿系统的结构简图；图1lA至IlC为基于本专利技术的第一种实施方式下改进双绕组系统的输出推力仿真波形图，其中IlA为系统输出推力仿真总体结果图，IlB为在系统在0-0.0Ols之间的输出推力仿真结果的局部放大图，IlC为系统在0.015s?0.016s输出推力仿真结果的局部放大图；图12为基于本专利技术的第一种实施方式下的改进双绕组系统的输出推力仿真波形局部放大图；图13A至13C为变占空比下改性型双绕组推力补偿系统输出推力仿真波形，其中13A为系统输出推力仿真总体结果图，13B为在系统在0-0.0Ols之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双绕组音圈电机推力补偿系统，用于驱动具有设置于每对主绕组之间的副绕组的音圈电机；其中，主绕组为音圈电机的主要工作绕组，提供音圈电机驱动系统工作中所需要的输出电磁推力；副绕组为补偿绕组，提供与主绕组相反的推力波动，对主绕组的推力波动进行补偿，从而使得音圈电机主绕组与副绕组输出推力的合力保持恒定；该系统包括连接于音圈电机主绕组的第一H形全桥驱动电路，其包括串联连接的第一场效应管和第四场效应管的第一左桥臂，串联连接的第二场场效应管和第三场效应管的第一右桥臂；第一PWM控制单元，用于向第一左桥臂、第一右桥臂的场效应管提供控制信号；第一直流电压源，为所述第一左桥臂和第一右桥臂同时供电：连接于音圈电机副绕组的第二H形全桥驱动电路，其包括串联连接的第五场效应管和第八场效应管构成了第二左桥臂，串联连接的第六场场效应管和第七场效应管的第二右桥臂；第二PWM控制单元，用于向第二左桥臂、第二右桥臂的场效应管提供控制信号；第二直流电压源为所述第二左桥臂供电，和第三直流电压源为所述第二右桥臂同时供电：其中，第二直流电压源和第三直流电压源被配置为：R2=R1L2+Kf2Kf1ML1+Kf1Kf2MUdc21=(2-2D)Kf1Kf2·L2+ML1+Kf1Kf2·MUdc1Udc22=2DKf1Kf2·L2+ML1+Kf1Kf2·MUdc1其中，Udc1为第一左桥臂、第一右桥臂，即第一直流电压源的电压值；Udc21为第二左桥臂，即第二直流控电压源的电压值；Udc22为第二右桥臂，即第三直流电压源的电压值；R1为主绕组电阻；R2为副绕组电阻；L1为主绕组电感；L2为副绕组电感；M为主绕组与副绕组间的互感；Kf1为主绕组推力系数；Kf2为副绕组推力系数；D为双电源驱动电路开关器件占空比。...

【技术特征摘要】
1.一种双绕组音圈电机推力补偿系统，用于驱动具有设置于每对主绕组之间的副绕组的音圈电机；其中，主绕组为音圈电机的主要工作绕组，提供音圈电机驱动系统工作中所需要的输出电磁推力；副绕组为补偿绕组，提供与主绕组相反的推力波动，对主绕组的推力波动进行补偿，从而使得音圈电机主绕组与副绕组输出推力的合力保持恒定； 该系统包括 连接于音圈电机主绕组的第一 H形全桥驱动电路，其包括串联连接的第一场效应管和第四场效应管的第一左桥臂，串联连接的第二场场效应管和第三场效应管的第一右桥臂；第一 PWM控制单元，用于向第一左桥臂、第一右桥臂的场效应管提供控制信号； 第一直流电压源，为所述第一左桥臂和第一右桥臂同时供电: 连接于音圈电机副绕组的第二 H形全桥驱动电路，其包括串联连接的第五场效应管和第八场效应管构成了第二左桥臂，串联连接的第六场场效应管和第七场效应管的第二右桥臂； 第二 PWM控制单元，用于向第二左桥臂、第二右桥臂的场效应管提供控制信号； 第二直流电压源为所述第二左桥臂供电，和 第三直流电压源为所述第二右桥臂同时供电: 其中，第二直流电压源和第三直流电压源被配置为: 2.根据权利要求1所述的双绕组音圈电机推力补偿系统，其特征在于:该第二直流电压源和第三直流电压源通过Buck直流斩波调压电路、Boost直流斩波调压电路或Buck-Boost斩波调压电路来进行获得。3.根据权利要求1或2所述的双绕组音圈电机模块，其特征在于:该音圈电机的主绕组、副绕组的绕制形式为分层式或填缝式。4.根据权利要求3所述的双绕组音圈电机模块，其特征在于:副绕组被包围在两层主绕组之间，内侧的主绕组包围在绕组支柱外层；或副绕组被夹在上、下两层主绕组之间，绕组支柱则自上而下穿过上层主绕组、副绕组以及下层主绕组。5.根据权利要求1或2所述的双绕组音圈电机模块，其特征在于:电机的由主绕组、副绕组和支柱组成的初级绕组通过环氧胶被灌封在初级支撑板内，初级支撑板通过初级支撑座进行支撑；次级磁钢通过次级支撑结构借助轭板进行连接。6.一种双绕组音圈电机推...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立毅，潘东华，郭庆波，王明义，熊思亚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：