雙繞組音圈電機推力補償系統的制作方法
【專利摘要】一種雙繞組音圈電機推力補償系統，用于驅動具有設置于每對主繞組之間的副繞組的音圈電機；其中，主繞組為音圈電機的主要工作繞組，提供音圈電機驅動系統工作中所需要的輸出電磁推力；副繞組為補償繞組，提供與主繞組相反的推力波動，對主繞組的推力波動進行補償，從而使得音圈電機主繞組與副繞組輸出推力的合力保持恒定。本發明提出的該方案不僅能夠極大的削弱了音圈電機伺服系統的推力波動，并且能夠使得系統在較低的開關頻率下實現對音圈電機伺服驅動控制系統超高精度控制，提高了系統的穩定性，減小了系統的損耗，并且大大降低了驅動控制器的成本。
【專利說明】雙繞組音圈電機推力補償系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及音圈電機，具體的講，涉及具有推力補償功能的音圈電機驅動控制系統。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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IOkHz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。
[0006]對超高精度伺服控制領域中音圈電機伺服驅動控制器的研究熱點主要有兩個方向，一是提高線性功率放大器的功率等級和響應速度，從而獲得更加的系統伺服控制性能，二是研究如何減小PWM功率變換器方案下的系統的推力波動，提高系統的控制性能。
[0007]根據前文的分析，可知，當音圈電機伺服控制系統采用PWM功率變換器方案時如圖24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，如圖23所示。
[0008]傳統伺服所米用的IOkHz下,音圈電機伺服驅動系統的輸出推力如圖25A至25C所示。
[0009]從圖25A至25C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。
[0010]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26A至26C所示。
[0011]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IOkHz的開關頻率減小為原來的5%。
【發明內容】
[0012]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，本發明設計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。
[0013]發明的一個方面提供了一種雙繞組音圈電機推力補償系統,包括設置于音圈電機的每對主繞組之間的副繞組；主繞組為音圈電機的主要工作繞組，提供音圈電機驅動系統工作中所需要的輸出電磁推力；副繞組為補償繞組，提供與主繞組相反的推力波動，對主繞組的推力波動進行補償，從而使得音圈電機主繞組與副繞組輸出推力的合力保持恒定。
[0014]優選的是，主繞組由基于一個或者兩個獨立的受控電壓源供電的主繞組開關驅動電路驅動。
[0015]優選的是，副繞組由基于兩個獨立的受控電壓源供電的副繞組開關驅動電路驅動。
[0016]優選的是，主繞組、副繞組的驅動電路是H型全橋驅動電路。
[0017]優選的是，副繞組驅動電路采用兩個獨立受控電壓源，即第二直流電壓源和第三直流電壓源供電，并且該第二直流電壓源和第三直流電壓源通過Buck直流斬波調壓電路、Boost直流斬波調壓電路或Buck-Boost斬波調壓電路來進行獲得來進行獲得。
[0018]優選的是，主繞組采用兩個獨立的受控電壓源供電的主繞組開關驅動電路驅動，并且主繞組雙電源驅動電路的電源，即第一、第四直流電壓源可以通過Buck直流斬波電路來獲得。
[0019]本發明提出的該方案不僅能夠極大的削弱了音圈電機伺服系統的推力波動，并且能夠使得系統在較低的開關頻率下實現對音圈電機伺服驅動控制系統超高精度控制，提高了系統的穩定性，減小了系統的損耗，并且大大降低了驅動控制器的成本。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1不出了一對極雙繞組音圈電機；
[0021]圖2A示出了主、副繞內外層式繞制；
[0022]圖2B為主、副繞內外層式繞制剖開圖；
[0023]圖2C為主、副繞上下層式繞制立體圖；
[0024]圖2D為主、副繞上下層式繞制剖開圖；
圖3A至3C給出了填縫式主、副繞組繞制方式；
[0025]圖4A為多極雙繞組音圈電機的結構示意圖；
[0026]圖4B為多極雙繞組音圈電機的結構示意圖；
[0027]圖5A示出了主、副繞組上下層繞制的方式與磁鋼、永磁體的設置關系；
[0028]圖5B示出了主、副繞組內外層繞制的方式與磁鋼、永磁體的設置關系；
[0029]圖6為單電源主副繞組輸出推力的補償關系圖；
[0030]圖7為原始單電源推力補償系統示意圖；
[0031]圖8為雙電源全橋驅動電路結構簡圖；
[0032]圖9為雙電源推力補償控制系統推力補償效果示意圖；
[0033]圖1OA為基于本發明的第一種實施方式的改進型雙繞組推力補償系統的結構框圖；
[0034]圖1OB為基于本發明的第一種實施方式的改進型雙繞組推力補償系統的結構簡圖；
[0035]圖1lA至IlC為基于本發明的第一種實施方式下改進雙繞組系統的輸出推力仿真波形圖，其中IlA為系統輸出推力仿真總體結果圖，IlB為在系統在0-0.0Ols之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，IlC為系統在0.015s?0.016s輸出推力仿真結果的局部放大圖；
[0036]圖12為基于本發明的第一種實施方式下的改進雙繞組系統的輸出推力仿真波形局部放大圖；
[0037]圖13A至13C為變占空比下改性型雙繞組推力補償系統輸出推力仿真波形，其中13A為系統輸出推力仿真總體結果圖，13B為在系統在0-0.0Ols之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，13C為系統在0.06s?0.061s輸出推力仿真結果的局部放大圖；
[0038]圖14變占空比下系統輸出推力仿真波形局部放大圖1 ;
[0039]圖15變占空比下系統輸出推力穩態仿真波形局部放大圖；
[0040]圖16 —種Buck直流斬波電路的結構簡圖；
[0041]圖17采用Buck直流斬波電路作為控制電源下的雙繞組推力補償系統的結構簡圖；
[0042]圖18A至18C雙繞組推力補償系統的推力仿真波形圖，其中18A為系統輸出推力仿真總體結果圖，18B為在系統在0-0.0Ols之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，18C為系統在0.085s?0.086s輸出推力仿真結果的局部放大圖；
[0043]圖19A主繞組和副繞組輸出推力的局部放大圖；
[0044]圖19B繞組輸出推力合力的局部放大圖；
[0045]圖20A為基于本發明的第二種實施方式下的改進型雙繞組推力補償系統的結構框圖；
[0046]圖20B為基于本發明的第二種實施方式下的改進型雙繞組推力補償系統的結構簡圖；
[0047]圖21A至21C為基于本發明的第二種實施方式下的雙繞組雙電源推力補償系統的推力仿真波形圖，其中21A為系統輸出推力仿真總體結果圖，21B為在系統在0-0.0008s之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，21C為系統在0.066s?0.067s輸出推力仿真結果的局部放大圖；
[0048]圖22為基于本發明的第二種實施方式下，系統在Buck電路驅動下的結構簡圖
[0049]圖23主繞組輸出推力在開關器件開關斬波的影響之下的推力變化波形圖；
[0050]圖24原始H型全橋電路的結構簡圖；
[0051]圖25A至25C為IOkHz下原始音圈電機伺服驅動系統的輸出推力仿真圖，其中25A為系統輸出推力仿真總體結果圖，25B為在系統在0-0.0Ols之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，25C為系統在0.03s?0.031s輸出推力仿真結果的局部放大圖；
[0052]圖26A至26C為200kHz下原始音圈電機伺服驅動系統的輸出推力仿真圖，其中圖26A為系統輸出推力仿真總體結果圖，26B為在系統在0-0.0002s之間的輸出推力仿真結果的局部放大圖，26C為系統在0.008s?0.0082s輸出推力仿真結果的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0053]為了克服現有的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功率變換器方案時所產生的推力波動對系統伺服性能所產生的影響，本發明提出了一種新的音圈電機結構以及相應的伺服驅動控制系統驅動控制方案。
[0054]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:在音圈電機主繞組的另一側，設計一補償輔助副繞組，通過副繞組產生于主繞組完全相反的推力波動，從而應用副繞組使得音圈電機的主繞組和副繞組產生的推力波動相互抵消。在PWM功率變換器方案下，音圈電機伺服系統主副繞組產生的合成輸出推力保持恒定，實現了在較低的開關頻率下的音圈電機的高精度伺服控制，增強了系統控制的靈活性，使得控制系統能夠采用多種復雜的智能控制策略，有效提升了系統的控制性能，并且提高了驅動控制系統的穩定性，降低了驅動控制器的成本。
[0055]圖1以一對極雙繞組音圈電機為例不出了依照本發明的一種雙繞組音圈電機的結構圖。在普通電機繞組，主繞組100中增添另一套繞組，即副繞組200，從而實現電機副繞組200所產生推力變化與主繞組100的推力波動幅值相同、方向相反，進而實現電機推力波動的抑制，使得系統具有更高的定位精度。
[0056]主、副繞組100、200的分布及設計與驅動控制系統所需每套繞組的電氣時間常數及電機氣隙磁場的分布有關。
[0057]繞組100、200的繞制形式分為分層式及填縫式。例如，如圖2A至2D給出了分層式的兩種結構，其中，圖2A、2B為主、副繞組內外層分層示意圖，圖2C、2D為主、副繞組上下層分層示意圖。
[0058]從圖2A、2B可見，副繞組200被包圍在兩層主繞組100之間，內側的主繞組包圍在繞組支柱300外層。[0059]從圖2C、2D可見，副繞組200被夾在上、下兩層主繞組100之間，繞組支柱300則
自上而下穿過上層主繞組、副繞組以及下層主繞組。
[0060]圖3A至3C給出了填縫式主、副繞組繞制方式。在特定設計需求下，副繞組200漆包線直徑較小，也可以考慮將副繞組200漆包線填充在主繞組200的縫隙中。
[0061]圖4A、4B給出了采用多極雙繞組的音圈電機的結構示意圖。電機初級繞組(100、200,300)通過環氧膠被灌封在初級支撐板400內，初級支撐板通過初級支撐座500進行支撐。次級磁鋼600通過次級支撐結構700借助軛板710進行連接。上述結構構成了電機完整的結構形式。
[0062]圖5A、5B則分別給出經不同形式的分層式繞制后得到的內外層和上下層繞組與磁鋼以及永磁鐵的位置設置關系。
[0063]本發明方案在音圈電機中引入副繞組200后，對其進行通電使其產生于主繞組100相反的推力波動，從而可實現對主主繞組推力波動的補償。副繞組200對主繞組100推力波動的波長原理如圖9所示。
[0064]下面，對雙繞組音圈電機驅動電路的實現實施例進行詳細說明。
[0065]實施例1
[0066]圖6是單電源主副繞組輸出推力的補償關系圖。
[0067]通過圖6可以看出，在單電源主副繞組推力補償下，副繞組的輸出推力波動能有效的削減主繞組產生的推力波動，但是副繞組在對主繞組推力波動進行削減的同時還對主繞組的輸出平均推力進行削減，最終減小了主繞組和副繞組輸出合力的平均值，削弱了系統的輸出能力。由于副繞組輸出推力與副繞組的繞組電流成正比，所以本實施例所需要實現的是在不改變副繞組的繞組電流變化趨勢的條件下降低副繞組的繞組平均電流。
[0068]對圖7所示的單電源雙繞組推力補償系統的副繞組驅動電路進行進一步的分析，可得，副繞組的平均電流可以看成是開通時間段內(即VT1、VT3、VT1’和VT3’上為開通信號，VT2、VT4、VT2’和VT4’上為關斷信號)的平均電流和關斷時間段內(即VT1、VT3、VT1’和VT3’上為關斷信號，VT2、VT4、VT2’和VT4’上為導通信號)的平均電流的組合，若是能夠在開通時間段內和關斷時間段內采用不同的直流側電壓的話，通過開通時間段內的平均電流和關斷時間段內的平均電流的不同組合，即可以實現調整副繞組平均輸出電流的目的。
[0069]所以，將兩個電壓源分別采用不同的電壓Udcl和Udc2，如圖8所示，就可以通過控制使得電路在開通時間段內和關斷時間段內采用不同的直流側電壓，從而將繞組輸出電流的波形進行平移，達到控制繞組輸出平均電流的目的，此時主繞組與副繞組的推力補償效果圖如圖9所示。
[0070]根據本發明的設計要求，本實施例提出了改進的雙電源H型全橋驅動電路作為副繞組的驅動電路，構建新的雙繞組推力補償系統，系統的結構簡圖如圖10所示。
[0071 ] 可以看出，此時副繞組驅動電路900采用的是改進的雙電源H型全橋驅動電路，主繞組和副繞組兩套驅動電路800、900采用完全相同的半導體功率器件，同時半導體功率器件上的驅動信號也完全相同，保證主繞組和副繞組驅動電路同步進行開通與關斷，即保證主繞組的輸出推力和副繞組的輸出推力同步進行上升和下降。
[0072]按照前文的分析，通過調整副繞組驅動電路中的兩個電源的電壓值Utk21和Udc22，即可以在保持副繞組在由于開關器件斬波所產生的電流波動(下文中全部略寫成電流波動)不變的條件下，調整副繞組電流在一個開關周期之內的平均值(下文中全部略寫是電流平均值)。當將副繞組的電流平均值調整為零時，此時副繞組的輸出平均推力也為零，即副繞組僅對主繞組的推力波動進行補償，而同時不會對主繞組的輸出平均推力產生影響。
[0073]此外，在本實施例中，改進型雙繞組推力補償系統在開通時間段內，副繞組電流受到電源Utk21的控制而上升(或下降)，在關斷時間段內，副繞組電流受到電源Udc22的控制而相反的變化，即下降(或上升)。因此，為了保證副繞組電流波動的不變，需要保證副繞組驅動電路的兩個電源的電壓之和保持不變。即
[0074]Udc21+Udc22=const 公式 1.1
[0075]而副繞組驅動電路900的兩個電源電壓值之差則影響副繞組平均電流，通過調整副繞組驅動電路的兩個電源電壓值之差可以在保證副繞組電流波動不變的條件下將副繞組平均電流調整為零。
[0076]通過對該實施例的雙繞組推力補償系統的狀態微分方程組進行求解，可以得到，當副繞組電阻和驅動電路電壓滿足如下條件時
【權利要求】
1.一種雙繞組音圈電機推力補償系統，用于驅動具有設置于每對主繞組之間的副繞組的音圈電機；其中，主繞組為音圈電機的主要工作繞組，提供音圈電機驅動系統工作中所需要的輸出電磁推力；副繞組為補償繞組，提供與主繞組相反的推力波動，對主繞組的推力波動進行補償，從而使得音圈電機主繞組與副繞組輸出推力的合力保持恒定； 該系統包括 連接于音圈電機主繞組的第一 H形全橋驅動電路，其包括串聯連接的第一場效應管和第四場效應管的第一左橋臂，串聯連接的第二場場效應管和第三場效應管的第一右橋臂；第一 PWM控制單元，用于向第一左橋臂、第一右橋臂的場效應管提供控制信號； 第一直流電壓源，為所述第一左橋臂和第一右橋臂同時供電: 連接于音圈電機副繞組的第二 H形全橋驅動電路，其包括串聯連接的第五場效應管和第八場效應管構成了第二左橋臂，串聯連接的第六場場效應管和第七場效應管的第二右橋臂； 第二 PWM控制單元，用于向第二左橋臂、第二右橋臂的場效應管提供控制信號； 第二直流電壓源為所述第二左橋臂供電，和 第三直流電壓源為所述第二右橋臂同時供電: 其中，第二直流電壓源和第三直流電壓源被配置為:
2.根據權利要求1所述的雙繞組音圈電機推力補償系統，其特征在于:該第二直流電壓源和第三直流電壓源通過Buck直流斬波調壓電路、Boost直流斬波調壓電路或Buck-Boost斬波調壓電路來進行獲得。
3.根據權利要求1或2所述的雙繞組音圈電機模塊，其特征在于:該音圈電機的主繞組、副繞組的繞制形式為分層式或填縫式。
4.根據權利要求3所述的雙繞組音圈電機模塊，其特征在于:副繞組被包圍在兩層主繞組之間，內側的主繞組包圍在繞組支柱外層；或副繞組被夾在上、下兩層主繞組之間，繞組支柱則自上而下穿過上層主繞組、副繞組以及下層主繞組。
5.根據權利要求1或2所述的雙繞組音圈電機模塊，其特征在于:電機的由主繞組、副繞組和支柱組成的初級繞組通過環氧膠被灌封在初級支撐板內，初級支撐板通過初級支撐座進行支撐；次級磁鋼通過次級支撐結構借助軛板進行連接。
6.一種雙繞組音圈電機推力補償系統，用于驅動具有設置于每對主繞組之間的副繞組的音圈電機；其中，主繞組為音圈電機的主要工作繞組，提供音圈電機驅動系統工作中所需要的輸出電磁推力；副繞組為補償繞組，提供與主繞組相反的推力波動，對主繞組的推力波動進行補償，從而使得音圈電機主繞組與副繞組輸出推力的合力保持恒定；該系統包括連接于音圈電機主繞組的第一 H形全橋驅動電路，其包括串聯連接的第一場效應管和第四場效應管的第一左橋臂，串聯連接的第二場場效應管和第三場效應管的第一右橋臂；第一 PWM控制單元，用于向第一左橋臂、第一右橋臂的場效應管提供控制信號；第一直流電壓源為所述第一左橋臂供電；第四直流電壓源為所述第一右橋臂供電:連接于音圈電機副繞組的第二 H形全橋驅動電路，其包括串聯連接的第五場效應管和第八場效應管構成了第二左橋臂，串聯連接的第六場場效應管和第七場效應管的第二右橋臂；第二 PWM控制單元，用于向第二左橋臂、第二右橋臂的場效應管提供控制信號；第二直流電壓源為所述第二左橋臂供電，第三直流電壓源為所述第二右橋臂同時供電:其中，第一直流電壓源、第二直流電壓源、第三直流電壓源和第四電壓源被配置為:
7.根據權利要求6所述的雙繞組音圈電機推力補償系統,其特征在于:該第一直流電壓源、第二直流電壓源、第三直流電壓源和第四直流電壓源通過Buck直流斬波調壓電路、Boost直流斬波調壓電路或Buck-Boost斬波調壓電路來進行獲得。
8.根據權利要求6或7所述的雙繞組音圈電機模塊,其特征在于:該音圈電機的主繞組、副繞組的繞制形式為分層式或填縫式。
9.根據權利要求8所述的雙繞組音圈電機模塊，其特征在于:副繞組被包圍在兩層主繞組之間，內側的主繞組包圍在繞組支柱外層；或副繞組被夾在上、下兩層主繞組之間，繞組支柱則自上而下穿過上層主繞組、副繞組以及下層主繞組。
10.根據權利要求6或7所述的雙繞組音圈電機模塊，其特征在于:電機的由主繞組、副繞組和支柱組成的初級繞組通過環氧膠被灌封在初級支撐板內，初級支撐板通過初級支撐座進行支撐；次級磁鋼通`過次級支撐結構借助軛板進行連接。
【文檔編號】H02P7/298GK103607150SQ201310460563
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】李立毅, 潘東華, 郭慶波, 王明義, 熊思亞 申請人:哈爾濱工業大學