CN104320110A - 音圈马达的整形信号及驱动的控制方法、驱动芯片电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种音圈马达的整形信号控制方法、驱动芯片及其控制方法，输入整形是将脉冲序列与系统的输入信号进行卷积，从而产生一个整形的输入信号，该整形后的信号作用于系统，能消除或极大的减少系统的残余振荡，同时亦能增大对音圈马达系统参数的误差范围的适应，减少设计、生产及测试音圈马达模组的成本。

Description

音圈马达的整形信号及驱动的控制方法、驱动芯片电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，用于相机音圈马达驱动的控制，尤其涉及二阶欠阻尼系统的控制方法。

背景技术

音圈马达(VCM)广泛应用于智能手机和平板电脑的相机镜头驱动中。音圈马达驱动芯片通过接受系统驱动芯片提供的控制信号，输出相应的线性电流，通过音圈马达控制相机镜头的位置，从而实现自动对焦。音圈马达可以等效成二阶欠阻尼振荡系统，在音圈马达到达目标位置时，并不能马上停下来，而是以该位置为中心做减幅振荡，需要较长的时间才能稳定下来。这种残余振荡极大延长了自动对焦的时间。

通常，有几种方法可用于减少系统的残余震荡。一种方法是增加系统的阻尼系数，从而减少甚至消除残余振荡，加快自动对焦速度；但是这需要更大的能量消耗，会显著的缩短电池使用时间。另一种方法是把一个长的驱动行程分成许多的短的行程，然后以台阶分部的方式驱动音圈马达，最终达到目标位置；这种方法减少了每一步的残余振荡的幅值，但是并没有减少残余振荡的幅值与每个台阶幅值的比值，可以看到达到最终稳定的时间还是较长。

此外，音圈马达的系统参数(自然震荡频率ω_n,阻尼系数ξ)会有个体的和批次的差异，随着时间老化以及环境温度变化均有差异，这种差异亦会导致自动对焦的不理想。

为了实现更高效的音圈马达的自动对焦效果，必须有相应的方法来消除或减少系统的这种残余震荡，并且能适应音圈马达驱动参数的变化，这种适应的误差范围越大越好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种音圈马达的整形信号及驱动的控制方法、驱动芯片电路，能够解决音圈马达驱动的残余振荡问题，以实现快速高效的自动对焦效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种音圈马达的整形信号控制方法，所述方法包括包含以下步骤：

步骤1、确定音圈马达的等效模型的传输函数：

$G\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\ω}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(1\right);$

其中ω_n为系统无阻尼固有频率，ξ为系统阻尼系数，s为频域变量；

步骤2、在t_n时刻对音圈马达系统作用单位脉冲信号，设t≥t_n，在t时刻系统的单位脉冲响应为：

$w\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}}{e}^{-\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\ω}}_d(t-t_n)---\left(2\right);$

步骤3、根据系统单位脉冲响应，获得系统在n个幅度为A_i(i＝1～n)，作用时刻分别为t_i(i＝1～n)的脉冲串在t≥t_n的响应为：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_i{\mathrm{\ω}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}}{e}^{-\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\ω}}_d(t-t_i)---\left(3\right);$

其中为二阶系统的有阻尼固有频率，脉冲串即为输入整形信号；

步骤4、在t_n时刻，将上面式(3)与式(2)幅值相比，得到无量纲的残余振动表达式，即：

$V({\mathrm{\ω}}_n,\mathrm{\ξ})=e^{-\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{t}_n}\sqrt{C^2({\mathrm{\ω}}_n,\mathrm{\ξ})+S^2({\mathrm{\ω}}_n,\mathrm{\ξ})}---\left(4\right);$

其中C(ω_n,ξ)，S(ω_n,ξ)分别为：

$C({\mathrm{\ω}}_n,\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{t}_i}\cos \left({\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}{t}_i\right)---\left(5\right);$

$S({\mathrm{\ω}}_n,\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n{t}_i}\sin \left({\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}{t}_i\right)---\left(6\right);$ V(ωn,ξ)表示输入整形后系统响应与无输入整形系统脉冲响应在t_n时刻幅值之比；

步骤5、在步骤(3)的输入整形的条件下增加新的约束条件，以保证通过输入整形以后的信号和原始激励信号增益相等，约束条件为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i=1---\left(7\right);$

同时为保证系统相应不出现超调，要求脉冲幅值为正，即：

A_i＞0  (8)；

同时由于输入整形在系统中引入了时滞，为了减少对系统响应速度的影响，要求引入的时滞越小越好，因此第一个脉冲作用的时间在零时刻，即：

t₁＝0  (9)；

t_i＞0  (10)；

则在满足约束条件(7)、(8)、(9)、(10)的前提下，设计具有n个脉冲输入整形器的传输函数为：

$F\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{-t_{i}s}---\left(12\right);$

步骤6、使系统残余振动在系统无阻尼振荡频率和阻尼系数处为非零值Vexp，当残余振动达到最大值Vexp时，其对ω_n的微分为零，产生的单峰值Vexp称之为单峰值EI输入整形，双峰值Vexp为EEI输入整形，三峰值Vexp为EEEI输入整形，四峰值Vexp以及以上的称之为多峰值EI输入整形；

对单峰值EI输入整形约束条件为：

$\frac{\∂V\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_n}=0$ 奇数峰  (13)；

V(ω_l)＝0

V(ω_h)＝0  奇数峰(14)；

式(13)、(14)中，ω_l、ω_h为零振动幅值对应的频率；

对具有偶数峰值的输入整形约束条件为：

V(ω_n)＝0

$V\left(\mathrm{\ω}\right){|}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ll}}}=0$

$V\left(\mathrm{\ω}\right){|}_{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hh}}}=0$ 偶数峰  (15)；

$\frac{\∂V\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_l}=0$

$\frac{\∂V\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂\mathrm{\ω}}{|}_{{\mathrm{\ω}}_h}=0$ 偶数峰  (16)；

式(15)、(16)中，ω_ll、ω_hh为零振动幅值对应的频率，ω_l、ω_h为峰值点振动幅值对应的频率；

步骤7、设定满足要求的V_exp，ξ<<1，故假设ξ＝0，按照上述步骤6的约束条件，获得EI整形方程系数：

单峰值EI整形方程系数： $\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1+V_{\exp }}{4}& \frac{1-V_{\exp }}{2}& \frac{1+V_{\exp }}{4}\\ 0& T& 2T\end{array}\right]---\left(17\right);$

可得EI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts  (18)；

其中T为半振动周期，

$T=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_n}---\left(19\right);$

EEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{3X^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}\\ 0& T& 2T& 3T\end{array}\right]---\left(20\right);$

其中：

$X=\sqrt[3]{{V_{\exp }}^2(\sqrt{1-{V_{\exp }}^2}+1)}---\left(21\right);$

可得EEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts  (22)；

EEEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{1+{3V}_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{3+V_{\exp }-2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{8}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{1+{3V}_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}\\ 0& T& 2T& 3T& 4T\end{array}\right]---\left(23\right);$

可得EEEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts+A₅e^-4Ts  (24)。

进一步的，在所述的音圈马达的整形信号控制方法中，还包括步骤8：构造3脉冲EI、4脉冲EEI、5脉冲EEEI方法以及n个脉冲的多峰值EI输入整形控制方法，每个激励信号的脉冲时间间隔为半振荡周期，其中，n为正整数。

进一步的，在所述的音圈马达的整形信号控制方法中，所述激励脉冲信号随着所述峰值的增加而增加，所述系统响应也随着所述峰值的增加而增加半振动周期T。

一种基于上文任一项所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动电路，所述驱动电路包括：与驱动芯片通讯的I2C接口电路、半振荡周期发生器电路、输入整形器、数模转换器电路、缓冲器及音圈马达；其中，所述I2C接口电路的输出分别与所述半振荡周期发生器电路及输入整形器的输入相连，所述半振荡周期发生器电路的输出与输入整形器的输入相连，所述数模转换器电路的输入与所述输入整形器的输出相连，所述缓冲器的输入与所述数模转换器电路的输出相连，所述音圈马达的输入与所述缓冲器的输出相连。

一种基于上文所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动的控制方法，包括步骤：

所述I2C接口电路与所述驱动芯片通讯，所述驱动芯片首先提供音圈马达的目标位置信息X_tar，然后根据所述音圈马达的系统参数选择半振荡周期，假设音圈马达当前位置为X_ori，则对应的位置阶跃量为ΔX＝X_tar-X_ori；

所述音圈马达驱动芯片根据设定的V_exp，计算出相对应的幅值A_i；

所述输入整形器输出经过所述数模转换器，再经过所述输出缓冲器转换成对应的电流值来驱动所述音圈马达，经过所述输入整形器之后，所述音圈马达的残余振荡就达到V_exp范围以内。

本发明相比于现有技术的有益效果主要体现在：输入整形是将脉冲序列与系统的输入信号进行卷积，从而产生一个整形的输入信号，该整形后的信号作用于系统，能消除或极大的减少系统的残余振荡，同时亦能增大对音圈马达系统参数(自然震荡频率和阻尼系数)的误差范围的适应，减少设计、生产及测试音圈马达模组的成本。

附图说明

图1为单位脉冲信号作用于二阶振荡系统中系统响应时减幅的正弦振荡曲线示意图；

图2a为本发明一实施例中直接模式和采用EI、EEI、EEEI输入整形的效果对比曲线的示意图；

图2b为本发明一实施例中直接模式和采用EI、EEI、EEEI输入整形的效果对比曲线的局部放大示意图；

图3a为本发明一实施例中采用EI输入整形脉冲幅值与时滞关系的示意图；

图3b为本发明一实施例中采用EEI输入整形脉冲幅值与时滞关系的示意图；

图3c为本发明一实施例中采用EEEI输入整形脉冲幅值与时滞关系的示意图；

图4为本发明一实施例中EI、EEI、EEEI输入整形后控制信号的控制曲线示意图；

图5a为本发明一实施例中EI、EEI、EEEI输入整形残余振荡灵敏度曲线的示意图；

图5b为本发明一实施例中EI、EEI、EEEI输入整形残余振荡灵敏度曲线的局部放大示意图；

图6a为本发明一实施例中EI、EEI、EEEI与ZV、ZVD、ZVDD、ZVDDD输入整形残余振荡灵敏度曲线对比的示意图；

图6b为本发明一实施例中EI、EEI、EEEI与ZV、ZVD、ZVDD、ZVDDD输入整形残余振荡灵敏度曲线对比的局部放大示示意图；

图7为本发明一实施例中音圈马达驱动电路的方框示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的音圈马达的整形信号及驱动的控制方法、驱动芯片电路进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想是提出一种输入整形的控制方法。该方法输入整形是将脉冲序列与系统的输入信号进行卷积，从而产生一个整形的输入信号，该整形后的信号作用于系统，能消除或极大的减少系统的残余振荡。如图1所示，一个单位脉冲信号作用于一个二阶振荡系统，系统响应是减幅的正弦振荡曲线。如果给二阶振荡系统作用两个脉冲信号，第一个脉冲信号A₁δ(t-t₁)的幅值为A₁，作用时间为t₁，第二个脉冲信号A₂δ(t-t₂)的幅值为A₂，作用时间为t₂。通过合理设计这两个脉冲信号的幅值和时滞(|t₂-t₁|)，使第一个脉冲信号在t₁时刻产生振动经过延时后与第二个脉冲在t₂时刻产生的振动刚好振幅大小相等，方向相反，叠加结果为零(如图1中A₁和A₂叠加后的响应所示)，从而可以完全消除系统的振动。输入整形就是利用上述的原理来达到消除或者减少系统的振动的。

具体的，本实施例中提出了一种音圈马达的整形信号控制方法，所述方法包括包含以下步骤：

步骤1、确定音圈马达的等效模型的传输函数：

$G\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_{n}s+{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}---\left(1\right);$

其中ω_n为系统无阻尼固有频率，ξ为系统阻尼系数，s为频域变量；

步骤2、在t_n时刻对音圈马达系统作用单位脉冲信号，设t≥t_n，在t时刻系统的单位脉冲响应为：

$w\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}}{e}^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\&omega;}}_d(t-t_n)---\left(2\right);$

步骤3、根据系统单位脉冲响应，获得系统在n个幅度为A_i(i＝1～n)，作用时刻分别为t_i(i＝1～n)的脉冲串在t≥t_n的响应为：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{A_i{\mathrm{\&omega;}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}}{e}^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\&omega;}}_d(t-t_i)---\left(3\right);$

其中为二阶系统的有阻尼固有频率，脉冲串即为输入整形信号；

步骤4、在t_n时刻，将上面式(3)与式(2)幅值相比，得到无量纲的残余振动表达式，即：

$V({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=e^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_n}\sqrt{C^2({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})+S^2({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})}---\left(4\right);$

其中C(ω_n,ξ)，S(ω_n,ξ)分别为：

$C({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_i}\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}{t}_i\right)---\left(5\right);$

$S({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_i}\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}{t}_i\right)---\left(6\right);$ V(ωn,ξ)表示输入整形后系统响应与无输入整形系统脉冲响应在t_n时刻幅值之比；

其中，上述步骤(3)中脉冲序列即为输入整形信号，即表示了输入整形后系统响应与无输入整形系统脉冲响应在时刻幅值之比，表征了残余振荡的大小；

步骤5、在步骤(3)的输入整形的条件下增加新的约束条件，以保证通过输入整形以后的信号和原始激励信号增益相等，约束条件为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i=1---\left(7\right);$

同时为保证系统相应不出现超调，要求脉冲幅值为正，即：

A_i＞0  (8)；

同时由于输入整形在系统中引入了时滞，为了减少对系统响应速度的影响，要求引入的时滞越小越好，因此第一个脉冲作用的时间在零时刻，即：

t₁＝0  (9)；

t_i＞0  (10)；

则在满足约束条件(7)、(8)、(9)、(10)的前提下，设计具有n个脉冲输入整形器的传输函数为：

$F\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{-t_{i}s}---\left(12\right);$

步骤6、按照对V(ω_n,ξ)的要求，结合其它的约束条件产生不同的输入整形算法。比如要求在系统参数完全匹配点系统残余振荡为零，附加上对系统无阻尼振动频率n-1阶导数为零的约束，产生了所谓的ZV、ZVD、ZVDD等输入整形器的算法。该系列算法是在系统无阻尼振荡频率和阻尼系数处，系统残余振动为零，但是随着系统无阻尼振荡频率和阻尼系数的偏差增大而增大。本发明不要求系统残余振动在系统无阻尼振荡频率和阻尼系数处为零，而是为一个系统可以接受的、比较小的非零值V_exp，而在无阻尼固有频率稍高和稍低、也可以在无阻尼固有频率处为零，残余振动达到最大值V_exp时，其对ω_n的微分为零。这样产生的单峰值V_exp称之为单峰值EI输入整形，双峰值V_exp为EEI输入整形，三峰值V_exp为EEEI输入整形(图如4a所示)，四峰值V_exp以及以上的称之为多峰值EI输入整形。

对单峰值EI输入整形约束条件为：

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_n}=0$ 奇数峰  (13)；

V(ω_l)＝0

V(ω_h)＝0奇数峰  (14)；

式(13)、(14)中，ω_l、ω_h为零振动幅值对应的频率；

对具有偶数峰值的输入整形约束条件为：

V(ω_n)＝0

$V\left(\mathrm{\&omega;}\right){|}_{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ll}}}=0$

$V\left(\mathrm{\&omega;}\right){|}_{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{hh}}}=0$ 偶数峰  (15)；

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_l}=0$

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_h}=0$ 偶数峰  (16)；

式(15)、(16)中，ω_ll、ω_hh为零振动幅值对应的频率，ω_l、ω_h为峰值点振动幅值对应的频率；

步骤7、设定满足要求的V_exp(例如：0.02，意为2％的残余振动)，对音圈马达系统，ξ<<1(通常为0～0.1)，故假设ξ＝0，简化计算，这样引起的误差很小。按照上述约束条件，获得EI整形方程系数：

单峰值EI整形方程系数： $\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1+V_{\exp }}{4}& \frac{1-V_{\exp }}{2}& \frac{1+V_{\exp }}{4}\\ 0& T& 2T\end{array}\right]---\left(17\right);$

可得EI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts  (18)；

其中T为半振动周期，

$T=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_n}---\left(19\right);$

EEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{3X^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}& \frac{{3X}^2+2X+{{3V}_{\exp }}^2}{16X}\\ 0& T& 2T& 3T\end{array}\right]---\left(20\right);$

其中：

$X=\sqrt[3]{{V_{\exp }}^2(\sqrt{1-{V_{\exp }}^2}+1)}---\left(21\right);$

可得EEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts  (22)；

EEEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{1+{3V}_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{3+V_{\exp }-2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{8}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{1+{3V}_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}\\ 0& T& 2T& 3T& 4T\end{array}\right]---\left(23\right);$

可得EEEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts+A₅e^-4Ts  (24)；其中，附图5a和5b给出了经过EI、EEI及EEEI输入整形后残余振荡的曲线示意图；附图6a和6b给出了ZV、ZVD、ZVDD等输入整形器的算法与本实施例提出的EI、EEI及EEEI输入整形后的残余振荡的曲线对比图，可见，本实施例提出的EI、EEI及EEEI输入整形后的残余振荡更小。

此外，还包括步骤8：构造3脉冲EI、4脉冲EEI、5脉冲EEEI方法以及n个脉冲的多峰值EI输入整形控制方法，每个激励信号的脉冲时间间隔为半振荡周期，其中，n为正整数。

同理可以获得多峰值EI输入整形方程，每多增加一个峰值，就多增加一个激励脉冲信号，系统响应也就多增加半振动周期T。

附图2a、图2b给出了音圈马达系统直接模式(即没有进行输入整形，图中由Dir表示)与经过EI输入整形、EEI输入整形、EEEI输入整形的响应。附图3a、图3b、图3c分别给出了EI、EEI、EEEI激励输入信号以及信号时滞。通过外部给定的输入阶跃信号和输入整形的脉冲序列进行卷积获得整形后的控制信号，本实施例提供的输入整形控制方法可以方便的应用于音圈马达驱动的控制。很明显经过输入整形的系统响应残余振荡远远小于没有经过整形的系统响应的残余振荡。在经过2T后EI输入整形的系统响应残余振荡落入V_exp误差范围内；经过3T后EEI输入整形的系统响应残余振荡落入V_exp误差范围内；经过4T后多峰值EI输入整形的系统响应残余振荡落入V_exp误差范围内。

虽然EI输入整形较之EEI、EEEI输入整形，EEI较之EEEI输入整形都能更快速的落入残余振荡误差范围以内，但是对ω_n以及ξ的鲁棒性却是最差的，参看附图V(ω_n,ξ)对ω_n的灵敏度曲线。选用多峰值EI输入整形可以显著的增大系统对系统参数的鲁棒性，大大减低音圈马达的设计、制造和测试成本。其中，音圈马达通过EI、EEI、EEEI输入整形后控制信号的控制结构可以由附图4得知。

有必要简要介绍一下音圈马达的工作原理及其在相机自动变焦领域的应用。音圈马达(Voice Coil Motor)，简称VCM，其工作原理是在基座(Holder)内有一个小型的强力磁场，通过驱动芯片(本发明应用之驱动芯片)来控制VCM内部线圈的电流而产生磁力方面的作用力，从而去动中间的镜头(Lens)达到需要的位置，从而实现自动变焦(Auto Focus)。具体而言，当相机进入到AF模式之后，驱动芯片驱动镜头从最小位移处移动到最大位移处，此时摄像头感应器拍摄不同位移处的图片并保存到驱动芯片DSP内，DSP通过图像处理算法找到成像最好的图片的位移点，这个位移点有与其唯一对应的VCM驱动芯片电流。DSP提供这个最佳成像点的信息给VCM驱动芯片，从而使镜头稳定在此位置，达到自动变焦。如前面论述，VCM可等效为欠阻尼的二阶振荡系统，因而当VCM驱动芯片给定目标电流值时，如果不施加外界辅助措施，VCM将要很长的时间才能达到满足需要的稳定程度，这个稳定时间由VCM系统参数ω_n、ξ确定。采用本发明所述的输入整形控制方法，则能大幅度缩短VCM达到稳定性所要求的时间。

因此，请参考图7，在本实施例的另一方面，还提出了一种基于上文所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动电路，所述驱动电路包括：与驱动芯片通讯的I2C接口电路、半振荡周期发生器电路、输入整形器、数模转换器电路、缓冲器及音圈马达；其中，所述I2C接口电路的输出分别与所述半振荡周期发生器电路及输入整形器的输入相连，所述半振荡周期发生器电路的输出与输入整形器的输入相连，所述数模转换器电路的输入与所述输入整形器的输出相连，所述缓冲器的输入与所述数模转换器电路的输出相连，所述音圈马达的输入与所述缓冲器的输出相连。

此外，还提出了一种基于所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动的控制方法，包括步骤：

所述I2C接口电路与所述驱动芯片通讯，所述驱动芯片首先提供音圈马达的目标位置信息X_tar，然后根据所述音圈马达的系统参数选择半振荡周期，假设音圈马达当前位置为X_ori，则对应的位置阶跃量为ΔX＝X_tar-X_ori；

所述音圈马达驱动芯片根据设定的V_exp，计算出相对应的幅值A_i；

所述输入整形器输出经过所述数模转换器，再经过所述输出缓冲器转换成对应的电流值来驱动所述音圈马达，经过所述输入整形器之后，所述音圈马达的残余振荡就达到V_exp范围以内。

具体的，为了实现本发明用于VCM驱动芯片的设计，首先是按照稳定性要求选定残余振荡的最大值V_exp，然后按照上述步骤计算出EI、EEI、EEEI的幅值参数A_i，时滞参数t_i为VCM系统半振动周期的整数倍。驱动芯片关键是实现准确的半振荡周期参数T。从之前的残余振荡灵敏度曲线中可以得知，多峰值EI输入整形具有更大的频率误差的鲁棒性，如同样要求达到2％的V_exp，EI容许的ω/ω_n范围为±13％，EEI容许的ω/ω_n范围为±27％，EEEI容许的ω/ω_n范围为±39％，但是稳定时间响应的延长半个振荡周期。更大的频率误差鲁棒性意味着半振荡周期参数T的精度的降低，从而显著降低驱动芯片实现的难度。一般VCM生产厂家会提供VCM的有阻尼振荡周期，如前所述，由于VCM的阻尼系数ξ很小(通常为0～0.1)，故可认为其有阻尼振荡周期等于无阻尼振荡周期(ω_n为无阻尼固有频率，ω_d为有阻尼固有频率，其关系为：)。VCM驱动芯片包含一个VCM半振荡周期的时钟产生电路，该时钟产生电路通过可编程产生满足VCM频率范围的半周期时钟，该时钟用于输入整形。该时钟的精度则决定了VCM驱动芯片自动变焦的效果。如果需要更高精度的时钟，势必增加驱动芯片设计复杂度和成本；如采用多峰值EI输入整形则能降低对时钟精度要求，但是相应的增加了VCM响应时间，因此需要根据具体应用合理选择。为了与不同厂家VCM适配，以及考虑到工作环境，工作温度的变化以及VCM本身的老化，应该尽可能的提高半周期时钟的精度和容差范围。VCM驱动芯片在自动变焦时，接受驱动芯片发生给过来的最终聚焦位置信息，并根据驱动芯片(DSP)提供的VCM半周期振荡时钟参数，产生相应的输入整形时钟。依据该时钟的时滞与聚焦的位置信息(可等效成当前位置到目标位置的阶跃信号)生成EI、EEI、EEEI整形信号的整形信号。

请参考图7，VCM驱动芯片通过I2C接口电路与驱动芯片通讯，驱动芯片10首先提供VCM的目标位置信息X_tar，然后根据VCM的系统参数选择最接近的半振荡周期。假设VCM当前位置为X_ori，则对应的位置阶跃量为ΔX＝X_tar-X_ori。VCM驱动IC根据先前设定的V_exp，计算出相对应的幅值A_i。例如设定V_exp＝2％，对EI输入整形，幅值参数分别为：A₁＝0.255；A₂＝0.490；A₃＝0.255；

对EEI输入整形，幅值参数分别为：A₁＝0.1432；A₂＝0.3568；A₃＝0.3568；A₄＝0.1432；

对EEEI输入整形，幅值参数分别为：

A₁＝0.0915；A₂＝0.2450；A₃＝0.3270；A₄＝0.2450；A₅＝0.0915；

时滞参数则分别为：0,1T,2T,3T,4T，T为半振荡周期。以EI为例，在时刻t＝0时刻，EI输入整形器产生A₁×ΔX＝0.255×ΔX的阶跃信号；等待半振荡周期之后，意即在t＝T时刻，在原阶跃信号基础上叠加幅值为A₂×ΔX＝0.490×ΔX的阶跃信号；再过半振荡周期，意即在t＝2T时刻，在原两台阶式的阶跃信号基础上叠加幅值为A₃×ΔX＝0.255×ΔX的阶跃信号。这样在2T过后，输入整形器输出的控制信号在幅值上等于原来的位移差值ΔX，

((A₁+A₂+A₃)×ΔX＝(0.255+0.490+0.255)×ΔX＝1×ΔX)。

输入整形器的输出经过数模转换器(D/A转换器)，把数字域的信号变成模拟域信号，再经过输出缓冲器转换成对应的电流值来驱动VCM。经过输入整形器之后，VCM在2T的时间之后，残余振荡就达到V_exp范围以内。

可见，本实施例提供了一种音圈马达的整形信号及驱动的控制方法、驱动芯片电路。采用本实施例的输入整形方法可以大大加快相机自动聚焦的速度。输入整形的方法可以极大的减小对VCM系统的无阻尼自然振荡频率和阻尼系数的敏感度，从而减少驱动芯片复杂度及成本，减少生产，制造以及测试音圈马达模组的成本。本发明可广泛应用于手机相机，平板相机及其他手持设备的音圈马达驱动中，特别是二阶欠阻尼系统应用中。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种音圈马达的整形信号控制方法，其特征在于，所述方法包括包含以下步骤：

步骤1、确定音圈马达的等效模型的传输函数：

$G\left(s\right)=\frac{{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}{s^2+2\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_{n}s+{{\mathrm{\&omega;}}_n}^2}---\left(1\right);$

其中ω_n为系统无阻尼固有频率，ξ为系统阻尼系数，s为频域变量；

步骤2、在t_n时刻对音圈马达系统作用单位脉冲信号，设t≥t_n，在t时刻系统的单位脉冲响应为：

$w\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}}{e}^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\&omega;}}_d(t-t_n)---\left(2\right);$

步骤3、根据系统单位脉冲响应，获得系统在n个幅度为A_i(i＝1～n)，作用时刻分别为t_i(i＝1～n)的脉冲串在t≥t_n的响应为：

$y\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{A_i{\mathrm{\&omega;}}_n}{\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}}{e}^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n(t-t_n)}\sin {\mathrm{\&omega;}}_d(t-t_i)---\left(3\right);$

其中为二阶系统的有阻尼固有频率，脉冲串即为输入整形信号；

步骤4、在t_n时刻，将上面式(3)与式(2)幅值相比，得到无量纲的残余振动表达式，即：

$V({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=e^{-\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_n}\sqrt{C^2({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})+S^2({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})}---\left(4\right);$

其中C(ω_n,ξ)，S(ωⁿ,ξ)分别为：

$C({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_i}\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}{t}_i\right)---\left(5\right);$

$S({\mathrm{\&omega;}}_n,\mathrm{\&xi;})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\&xi;}{\mathrm{\&omega;}}_n{t}_i}\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\&xi;}}^2}{t}_i\right)---\left(6\right);$ V(ωn,ξ)表示输入整形后系统响应与无输入整形系统脉冲响应在t_n时刻幅值之比；

步骤5、在步骤(3)的输入整形的条件下增加新的约束条件，以保证通过输入整形以后的信号和原始激励信号增益相等，约束条件为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i=1---\left(7\right);$

同时为保证系统相应不出现超调，要求脉冲幅值为正，即：

A_i＞0   (8)；

同时由于输入整形在系统中引入了时滞，为了减少对系统响应速度的影响，要求引入的时滞越小越好，因此第一个脉冲作用的时间在零时刻，即：

t₁＝0 (9)；

t_i＞0 (10)；

则在满足约束条件(7)、(8)、(9)、(10)的前提下，设计具有n个脉冲输入整形器的传输函数为：

$F\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{e}^{-t_{i}s}---\left(12\right);$

步骤6、使系统残余振动在系统无阻尼振荡频率和阻尼系数处为非零值Vexp，当残余振动达到最大值Vexp时，其对ω_n的微分为零，产生的单峰值Vexp称之为单峰值EI输入整形，双峰值Vexp为EEI输入整形，三峰值Vexp为EEEI输入整形，四峰值Vexp以及以上的称之为多峰值EI输入整形；

对单峰值EI输入整形约束条件为：

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_n}=0$  奇数峰  (13)；

V(ω_l)＝0

V(ω_h)＝0 奇数峰  (14)；

式(13)、(14)中，ω_l、ω_h为零振动幅值对应的频率；

对具有偶数峰值的输入整形约束条件为：

V(ω_n)＝0

$V\left(\mathrm{\&omega;}\right){|}_{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ll}}}=0$

$V\left(\mathrm{\&omega;}\right){|}_{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{hh}}}=0$  偶数峰  (15)；

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_l}=0$

$\frac{\&PartialD;V\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{\&PartialD;\mathrm{\&omega;}}{|}_{{\mathrm{\&omega;}}_h}=0$  偶数峰  (16)；

式(15)、(16)中，ω_ll、ω_hh为零振动幅值对应的频率，ω_l、ω_h为峰值点振动幅值对应的频率；

步骤7、设定满足要求的V_exp，ξ<<1，故假设ξ＝0，按照上述步骤6的约束条件，获得EI整形方程系数：

单峰值EI整形方程系数： $\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1+V_{\exp }}{4}& \frac{1-V_{\exp }}{2}& \frac{1+V_{\exp }}{4}\\ 0& T& 2T\end{array}\right]---\left(17\right);$

可得EI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts  (18)；

其中T为半振动周期，

$T=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_n}---\left(19\right);$

EEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{3X^2+2X+3{V_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{3X^2+2X+3{V_{\exp }}^2}{16X}& \frac{1}{2}-\frac{3X^2+2X+3{V_{\exp }}^2}{16X}& \frac{3X^2+2X+3{V_{\exp }}^2}{16X}\\ 0& T& 2T& 3T\end{array}\right]---\left(20\right);$

其中：

$X=\sqrt[3]{{V_{\exp }}^2(\sqrt{1-{V_{\exp }}^2}+1)}---\left(21\right);$

可得EEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts  (22)；

EEEI整形方程系数：

$\left[\begin{array}{c}{A}_i\\ t_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{1+3V_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{3+V_{\exp }-2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{8}& \frac{1-V_{\exp }}{4}& \frac{1+3V_{\exp }+2\sqrt{2({V_{\exp }}^2+V_{\exp })}}{16}\\ 0& T& 2T& 3T& 4T\end{array}\right]---\left(23\right);$

可得EEEI输入整形传输函数为：

F(s)＝A₁+A₂e^-Ts+A₃e^-2Ts+A₄e^-3Ts+A₅e^-4Ts  (24)。

2.如权利要求1所述的音圈马达的整形信号控制方法，其特征在于，还包括步骤8：构造3脉冲EI、4脉冲EEI、5脉冲EEEI方法以及n个脉冲的多峰值EI输入整形控制方法，每个激励信号的脉冲时间间隔为半振荡周期，其中，n为正整数。

3.如权利要求2所述的音圈马达的整形信号控制方法，其特征在于，所述激励脉冲信号随着所述峰值的增加而增加，所述系统响应也随着所述峰值的增加而增加半振动周期T。

4.基于权利要求1至3中任一项所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：与驱动芯片通讯的I2C接口电路、半振荡周期发生器电路、输入整形器、数模转换器电路、缓冲器及音圈马达；其中，所述I2C接口电路的输出分别与所述半振荡周期发生器电路及输入整形器的输入相连，所述半振荡周期发生器电路的输出与输入整形器的输入相连，所述数模转换器电路的输入与所述输入整形器的输出相连，所述缓冲器的输入与所述数模转换器电路的输出相连，所述音圈马达的输入与所述缓冲器的输出相连。

5.基于权利要求4所述的音圈马达的整形信号控制方法的一种音圈马达驱动的控制方法，其特征在于，包括步骤：

所述I2C接口电路与所述驱动芯片通讯，所述驱动芯片首先提供音圈马达的目标位置信息X_tar，然后根据所述音圈马达的系统参数选择半振荡周期，假设音圈马达当前位置为X_ori，则对应的位置阶跃量为ΔX＝X_tar-X_ori；

所述音圈马达驱动芯片根据设定的V_exp，计算出相对应的幅值A_i；

所述输入整形器输出经过所述数模转换器，再经过所述输出缓冲器转换成对应的电流值来驱动所述音圈马达，经过所述输入整形器之后，所述音圈马达的残余振荡就达到V_exp范围以内。