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)動控制方法研究

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)動電機(jī)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、高速、高加速、響應(yīng)快等特性，因而被廣泛應(yīng)用于車載、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）放在磁場內(nèi)就會產(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)動控制系統(tǒng)之中[2]。

本文對音圈電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種以BUCK開關(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)動控制方法，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)推力的精確控制，并通過系統(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)動方式分析

音圈電機(jī)常見的驅(qū)動方式主要有線性驅(qū)動和PWM（脈沖寬度調(diào)制）驅(qū)動兩種[3]。線性驅(qū)動方式指直接通過線性功率放大器件對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，控制關(guān)系簡單，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)動方式功耗小，效率高，但存在抖動問題，甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的動態(tài)性能。

1.2 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

開關(guān)電源主要包括主回路和控制回路兩大部分。主回路指開關(guān)電源中功率電流經(jīng)過的通路，一般包含了開關(guān)器件、儲能器件、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)動方式[4]，通過輸出信號和基準(zhǔn)的比較來控制主回路中的開關(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)洹UCK-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、開關(guān)管、儲能電感、輸出電容及負(fù)載電阻構(gòu)成[6]。轉(zhuǎn)換器通過產(chǎn)生一定頻率、占空比的方波控制開關(guān)管的開啟與關(guān)斷，最后通過輸出電感和電容進(jìn)行功率濾波，得到所需要的直流電壓。因此，可以根據(jù)反饋通路來檢測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，電路工作頻率即開關(guān)周期T保持恒定不變，改變的是功率管的開啟和關(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)過誤差放大器后送入比較器，與一個時(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，信號波形如圖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)只有一個反饋環(huán)路，輸出級相當(dāng)于一個LC濾波網(wǎng)絡(luò)，是一個二階系統(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，開關(guān)開啟時(shí)間就越長，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，通過檢測反饋電壓與內(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通過電阻R7、電源芯片輸出電壓VOUT，通過電阻R4進(jìn)入運(yùn)算放大器N2正輸入端。三路輸入信號通過運(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，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

通過仿真擬合出驅(qū)動電壓與控制量關(guān)系，如圖5所示。

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

4 結(jié)語

本文從工程需要出發(fā)，對音圈電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)進(jìn)行了原理分析，并提出了一種線性負(fù)反饋驅(qū)動控制方法，通過實(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)。