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        一種基于BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線性負(fù)反饋音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法研究

        2021-01-28 12:43:52傅旭東吳力濤
        機(jī)電信息 2021年3期
        關(guān)鍵詞:音圈負(fù)反饋基準(zhǔn)

        孫 凱 李 坤 傅旭東 吳力濤

        (兵器214研究所,江蘇蘇州215000)

        0 引言

        音圈電機(jī)是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、高加速、響應(yīng)快等特性,因而被廣泛應(yīng)用于車(chē)載、機(jī)載等各類武器系統(tǒng)中。其工作原理是,通電線圈(導(dǎo)體)放在磁場(chǎng)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生力,力的大小與施加在線圈上的電流(電壓)成比例,可通過(guò)控制施加在線圈上的電流(電壓)控制電機(jī)的推力[1]。音圈電機(jī)可廣泛應(yīng)用于各類伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)之中[2]。

        本文對(duì)音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了一種以BUCK開(kāi)關(guān)芯片為核心,基于BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線性負(fù)反饋音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)推力的精確控制,并通過(guò)系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

        1 BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

        1.1 驅(qū)動(dòng)方式分析

        音圈電機(jī)常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式主要有線性驅(qū)動(dòng)和PWM(脈沖寬度調(diào)制)驅(qū)動(dòng)兩種[3]。線性驅(qū)動(dòng)方式指直接通過(guò)線性功率放大器件對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,控制關(guān)系簡(jiǎn)單,輸出電壓連續(xù)且穩(wěn)定,但功耗大,效率低,控制效果不佳。PWM驅(qū)動(dòng)方式功耗小,效率高,但存在抖動(dòng)問(wèn)題,甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

        1.2 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

        開(kāi)關(guān)電源主要包括主回路和控制回路兩大部分。主回路指開(kāi)關(guān)電源中功率電流經(jīng)過(guò)的通路,一般包含了開(kāi)關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件??刂苹芈芬话悴捎肞WM驅(qū)動(dòng)方式[4],通過(guò)輸出信號(hào)和基準(zhǔn)的比較來(lái)控制主回路中的開(kāi)關(guān)器件。

        主回路根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以分為隔離式和非隔離式兩大類。非隔離式主回路的輸入端和輸出端電氣相通,根據(jù)主回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其具體又可以分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和極性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。隔離式主回路的輸入端和輸出端電氣不相通,通過(guò)脈沖變壓器的磁耦合方式傳遞能量,實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離,根據(jù)電路結(jié)構(gòu),其主要分為正激式和反激式兩種。

        根據(jù)類別的不同,常見(jiàn)控制方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,包括BUCK型拓?fù)鋄5]、BOOST型拓?fù)?、BUCK-BOOST型拓?fù)涞???紤]到音圈電機(jī)的控制需要滿足穩(wěn)定、可靠、連續(xù)、輸出電壓范圍廣、輸出電流連續(xù)等要求,選用BUCK型拓?fù)淇奢^好地滿足控制系統(tǒng)的需求[6]。

        2 線性負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)分析

        BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將已知的直流輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換成所需要的直流輸出電壓VO。其主要由輸入電源、控制電路、開(kāi)關(guān)管、儲(chǔ)能電感、輸出電容及負(fù)載電阻構(gòu)成[6]。轉(zhuǎn)換器通過(guò)產(chǎn)生一定頻率、占空比的方波控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟與關(guān)斷,最后通過(guò)輸出電感和電容進(jìn)行功率濾波,得到所需要的直流電壓。因此,可以根據(jù)反饋通路來(lái)檢測(cè)輸出電壓和電流的狀態(tài),并據(jù)此精確調(diào)節(jié)輸出[7]?;就?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),引入輸出負(fù)反饋控制,實(shí)現(xiàn)線性負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[8],控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        采用PWM調(diào)制方式,電路工作頻率即開(kāi)關(guān)周期T保持恒定不變,改變的是功率管的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的,其基本原理如圖3所示。輸出電壓經(jīng)過(guò)誤差放大器后送入比較器,與一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生的三角波或鋸齒波電壓進(jìn)行比較,最后輸出PWM控制信號(hào),信號(hào)波形如圖3所示。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí),PWM調(diào)制信號(hào)的占空比也隨之變化,這樣便實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制。

        圖3 PWM控制原理及波形圖

        控制系統(tǒng)只有一個(gè)反饋環(huán)路,輸出級(jí)相當(dāng)于一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò),是一個(gè)二階系統(tǒng)。當(dāng)輸出電壓變化時(shí),系統(tǒng)采樣到電壓的變化后,反饋環(huán)路開(kāi)始響應(yīng),誤差放大器的輸出電壓越大,控制方波的占空比就越大,開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間就越長(zhǎng),輸送到電感的能量就越多。此系統(tǒng)電路分析設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單[9],具有成本低、體積小的特點(diǎn),還具備占空比調(diào)節(jié)范圍廣、噪聲性能好、負(fù)載調(diào)整率優(yōu)良和易于在多路輸出中實(shí)現(xiàn)交叉調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

        3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為滿足輸出電壓和電流能穩(wěn)定可靠驅(qū)動(dòng)的需求,本文設(shè)計(jì)了一種基于BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以DC/DC變換器為原型的負(fù)反饋線性驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[10-11]。

        系統(tǒng)的電路主要由BUCK功率變換器、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)源、二極管、功率電感、電阻、電容等構(gòu)成,電路原理如圖4所示。

        圖4 控制系統(tǒng)電路原理圖

        根據(jù)BUCK電源的工作原理,通過(guò)檢測(cè)反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的誤差,調(diào)節(jié)功率輸出的PWM占空比,使輸出電壓達(dá)到要求。

        電路的工作原理如下:

        輸入控制電壓V1至運(yùn)算放大器N1,通過(guò)電阻R2和R1構(gòu)成同相比例放大電路,放大后輸出電壓V2計(jì)算公式如下:

        由運(yùn)算放大器N2、基準(zhǔn)源以及輔助電阻組成BUCK電源的反饋電壓產(chǎn)生電路。運(yùn)算放大器N1輸出電壓V2通過(guò)電阻R3進(jìn)入運(yùn)算放大器N2負(fù)輸入端,同時(shí),基準(zhǔn)源V3輸出電壓V3通過(guò)電阻R7、電源芯片輸出電壓VOUT,通過(guò)電阻R4進(jìn)入運(yùn)算放大器N2正輸入端。三路輸入信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成加減運(yùn)算電路,其中反饋電阻為R6。因此,運(yùn)算放大器N2B輸出電壓VF可以通過(guò)下式計(jì)算得出:

        選取R6=R7=R4=R3,則運(yùn)算放大器N4B輸出電壓為:

        對(duì)公式(3)進(jìn)行變換,得出輸出電壓計(jì)算公式:

        式中:V3為基準(zhǔn)源電壓,選取基準(zhǔn)電壓與BUCK芯片內(nèi)部基準(zhǔn)源電壓大小相等的基準(zhǔn)源,則有:

        利用上述原理實(shí)現(xiàn)了音圈電機(jī)的線性負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)控制,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng),選用自帶12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的MCU輸出控制信號(hào),用0~4 095(0%~100%)作為輸入控制量,負(fù)載選用音圈電機(jī)(8.2 Ω)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制驗(yàn)證,得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        通過(guò)仿真擬合出驅(qū)動(dòng)電壓與控制量關(guān)系,如圖5所示。

        從關(guān)系曲線可知,輸出驅(qū)動(dòng)電壓基本和控制量呈線性關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文從工程需要出發(fā),對(duì)音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了原理分析,并提出了一種線性負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)控制方法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了其可靠性,為此類電機(jī)的控制策略設(shè)計(jì)提供了一種新的思路,同時(shí)也為后續(xù)的相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

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