CN105490592A - 线性电机相位同步控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线性电机相位同步控制系统。所述线性电机相位同步控制系统包括多个线性电机；信号输入单元，输入每个所述线性电机驱动信号的；电机参数模块，存储每个所述线性电机的电力耦合系数；工作参数反馈模块，反馈每个所述线性电机的实时工作电压、线圈电流值；相位差计算模块，计算得到等效机械阻抗相位差；相位控制模块，调整每个所述线性电机的驱动信号，使多个所述线性电机振动同步。本发明提供的线性电机相位同步控制系统，在多个电机同时工作时调节各电机的相对相位，使多个电机振动同步。本发明还提供一种线性电机相位同步控制方法。

Description

线性电机相位同步控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及振动电机技术领域，具体涉及一种线性电机相位同步控制系统及其控制方法。

背景技术

振动反馈作为手机、平板电脑等移动设备附带的一种反馈形式，其应用范围已从最初的仅提供最基本的来电提醒等功能，逐步扩展到提供与应用程序及应用场景相关联的触觉反馈等功能，这些功能与用户体验密切相关。

电机，是移动设备中提供振动反馈的基本原件，通常包括旋转电机、压电电机以及线性电机等。其中线性电机(LRA，LinearResonantActuator)以其体积小、寿命长、功耗低、响应时间快等优点，在提供与应用程序及应用场景相关的触觉反馈功能方面占据着绝对的优势。线性电机的基本工作原理类似于扬声器，是利用通电线圈在磁场中受到的安培力来驱动机械结构进行振动。线性电机通常被设计为在谐振频率处有较高的Q值，其频响曲线在偏离谐振频率处迅速衰减，因此线性电机多工作在谐振频率附近。同时，在单谐振频率线性电机的基础上，通过适当的结构设计，线性电机可拥有两个甚至两个以上的谐振频率。

为了更好的振动反馈体验，部分移动设备特别是平板电脑中已经开始采用双电机甚至多电机的方案。多个电机同时工作时，由于电机本身参数的差异，很容易因为相位不匹配的原因造成振感的损失。

因此，有必要提供一种线性电机相位同步控制系统及其控制方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多个电机同时工作时调节各电机的相对相位，使多个电机振动同步的线性电机相位同步控制系统及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种线性电机相位同步控制系统，包括：

多个线性电机；

信号输入单元，输入每个所述线性电机的驱动信号，所述驱动信号驱动所述线性电机工作；

电机参数模块，存储每个所述线性电机的电力耦合系数；

工作参数反馈模块，反馈每个所述线性电机的实时工作电压、线圈电流值；

相位差计算模块，根据所述电机参数模块和所述工作参数反馈模块的数据信号，计算得到等效机械阻抗相位差；

相位控制模块，根据所述相位差计算模块计算得到的等效机械阻抗相位差数据信号，调整每个所述线性电机的驱动信号，使多个所述线性电机振动同步。

优选的，所述信号输入单元还包括输入每个线性电机的低频探测信号。

优选的，所述线性电机相位同步控制系统还包括用于放大所述驱动信号和低频探测信号的信号放大单元。

一种线性电机相位同步控制方法，包括如下步骤：

提供多个线性电机、信号输入单元、电机参数模块、工作参数反馈模块、相位差计算模块及相位控制模块；

信号输入：通过所述信号输入单元分别输入每个所述线性电机的驱动信号，所述驱动信号驱动对应的所述线性电机工作；

反馈实时工作参数：所述工作参数反馈模块实时反馈每个所述线性电机的实时工作电压、线圈电流值；

等效机械阻抗相位差计算：所述相位差计算模块根据所述电机参数模块存储的所述线性电机的电力耦合系数及所述工作参数反馈模块提供的所述线性电机实时工作电压、线圈电流值，分别计算出每个线性电机实时的等效机械阻抗，再分别计算两个所述线性电机的等效机械阻抗相位差；

实时相位调整：所述相位控制模块根据所述相位差计算模块的数据信号，实时调整每个所述线性电机的驱动信号，使多个所述线性电机振动同步。

优选的，在所述信号输入步骤中，还包括低频探测信号输入。

优选的，所述低频探测信号为正弦信号，其频率为40Hz，幅值为50mV。

优选的，所述线性电机相位同步控制方法还包括放大所述驱动信号和低频探测信号。

与相关技术相比，本发明提供的线性电机相位同步控制系统及其控制方法，通过增加相位差计算模块实时计算等效机械阻抗相位差，再根据等效机械阻抗相位差，实时调整每个线性电机的相对相位，使多个线性电机振动同步。本发明提供的线性电机相位同步控制系统及其控制方法，各线性电机的相位调整精度高。

附图说明

图1为本发明线性电机相位同步控制系统的结构示意图；

图2为本发明线性电机相位同步控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

以双电机为例，对线性电机相位同步控制系统及其控制方法进行说明。

请参阅图1，为本发明线性电机相位同步控制系统的结构示意图。所述线性电机相位同步控制系统1包括线性电机组11、信号输入单元12、信号放大单元13、电机参数模块14、工作参数反馈模块15、相位差计算模块16及相位控制模块17。

所述线性电机组11包括第一线性电机111和第二线性电机112，使所述线性电机组11为双电机结构。

所述信号输入单元12包括第一信号输入单元121和第二信号输入单元122。所述第一信号输入单元121和所述第二信号输入单元122用于输入驱动信号，分别驱动所述第一线性电机111和第二线性电机112工作。

所述信号放大单元13包括第一信号放大单元131和第二信号放大单元132。所述第一信号放大单元131和所述第二信号放大单元132分别用于将所述第一信号输入单元121和所述第二信号单元122的驱动信号进行放大。

所述第一信号输入单元121、所述第一信号放大单元131及所述第一线性电机111依次电连接形成第一信号通道。所述第一线性电机111接收所述第一信号输入单元121的驱动信号后工作；所述第二信号输入单元122、所述第二信号放大单元132及所述第二线性电机112依次电连接形成第二信号通道，所述第二线性电机112接收所述第二信号输入单元122的驱动信号后工作。

所述电机参数模块14用于存储所述第一线性电机111及所述第二线性电机112的电力耦合系数及其他参数，并将存储的参数数据信号发送至所述相位差计算模块16。

所述工作参数反馈模块15用于反馈所述第一线性电机111及所述第二线性电机112的实时工作电压、线圈电流值，并将工作电压、线圈电流值等信号发送至所述相位差计算模块16。

所述相位差计算模块16与所述电机参数模块14和所述工作参数反馈模块15电连接。所述相位差计算模块16根据所述电机参数模块14和所述工作参数反馈模块15发送的数据，计算所述第一线性电机111和所述第二线性电机112的等效机械抗阻，从而计算得出等效机械阻抗相位差。

所述相位差计算模块16与所述相位控制模块17电连接。所述相位控制模块17接收所述相位差计算模块16计算得到等效机械阻抗相位差信号，并调整所述第一线性电机111的驱动信号，使所述第一线性电机111与所述第二线性电机112振动同步。

同时，本发明还提供一种线性电机相位同步控制方法。

请参阅图2，为本发明线性电机相位同步控制方法的流程示意图。所述线性电机相位同步控制方法包括如下步骤：

步骤S1：信号输入；

具体地，通过所述第一信号输入单元121和所述第二信号输入单元122分别输入所述第一线性电机111和所述第二线性电机112的驱动信号，并同时输入低频探测信号(如频率为40Hz，幅值为50mV的正弦信号)，所述第一信号放大单元131和所述第二信号放大单元132分别将对应的信号进行放大，然后分别输出至所述第一线性电机111和所述第二线性电机112，驱动所述第一线性电机111及所述第二线性电机112工作；

步骤S2：反馈实时工作参数；

具体地，所述工作参数反馈模块15实时反馈所述第一线性电机111和所述第二线性电机112的工作电压、线圈电流值，分别记作：U1，I1，U2，I2，并将工作参数数据信号发送至所述相位差计算模块16；

步骤S3：等效机械阻抗相位差计算；

具体地，所述相位差计算模块16根据所述电机参数模块14存储的所述线性电机的电力耦合系数Bl及所述工作参数反馈模块15提供的实时工作电压、线圈电流值U1，I1，U2，I2，分别计算出第一线性电机111、第二线性电机112的实时的等效机械阻抗Z′_m1、Z′_m2，再计算所述第一线性电机111与所述第二线性电机112的等效机械阻抗相位差；

其中，等效机械阻抗Z′_m的具体计算方法如下：

线性电机工作在线性状态时，其振动满足方程：

$f=M_m\stackrel{\·\·}{X}+R_m\stackrel{\·}{X}+K_{m}X---\left(1\right)$

其中，f代表线性电机线圈所受的安培力，f＝Bli，Bl为电力耦合系数，i为线圈电流；M_m、R_m以及K_m分别表示为振动系统的质量、阻尼以及劲度系数；

线性电机所受驱动信号u与线圈电流i的关系可表示为：

$u=R_{e}i+L_e\frac{di}{dt}+Bl\stackrel{\·}{X}---\left(2\right)$

其中，线圈电感L_e很小，一般可以忽略，由(1)，(2)两式可得

$M_m\stackrel{\·\·}{X}+\[R_m+{\left(Bl\right)}^2/R_e\]\stackrel{\·}{X}+K_{m}x=Blu/R_e---\left(3\right)$

其中，(3)式的解由表示线性电机自由振动的通解及表示线性电机在电压驱动下受迫振动的特解组成，通解可表示为：

$x_1=e^{-\mathrm{\δ}t}({\mathrm{Ae}}^{{\mathrm{j\ω}}_o^{,}t}+{\mathrm{Be}}^{-{\mathrm{j\ω}}_o^{,}x})---\left(4\right)$

其中 $\mathrm{\δ}=\frac{R_m^{,}}{2M_m},R_m^{,}=R_m+{\left(Bl\right)}^2/R_e,{\mathrm{\ω}}_o^{,2}={\mathrm{\ω}}_o^2-{\mathrm{\δ}}^2,{\mathrm{\ω}}_o^2=\frac{K_m}{M_m},$ A,B为常数，其值由初始条件决定，对线性电机而言，初始条件一般为 $X{|}_{t=0}=0,\stackrel{\·}{X}{|}_{t=0}=0;$

特解的形式与驱动信号的形式有关，以简谐驱动为例，驱动信号可表示为则特解：

$x_2=\frac{U_a^{,}}{{\mathrm{j\ωZ}}_m^{,}}{e}^{j\mathrm{\ω}t}---\left(5\right)$

其中 $U_a^{,}=\frac{B1U_a}{R_e},Z_m^{,}=R_m^{,}+j({\mathrm{\ωM}}_m+\frac{K_m}{\mathrm{\ω}})$

线性电机振子的振动位移x＝x₁+x₂；

其中，x₁为自由振动位移，x₂为受迫振动位移；其中，自由振动位移x₁一般在十几个周期的时间内即可衰减至零，以谐振频率在200Hz左右的线性电机为例，这个时间一般在0.1s以内。对应用中的大多数振动信号而言，这样短时间内的衰减振动影响是可以忽略的。因此可以以电机受迫振动位移x₂的相位来近似表示电机振动的实际相位。

由(5)式不难发现，简谐驱动下电机受迫振动的相位仅与驱动信号u以及电机等效机械阻抗Z′_m的相位相关。

基于以上原理，在双电机或多电机系统中，可以采用调整驱动信号相位差来补偿电机本身阻抗相位差的方法，来同步多个电机振动的相位。

线性电机的等效机械阻抗Z′_m计算方法如下：

将(1)，(2)两式的傅里叶变换形式分别为：

BlI(ω)＝jωZ_m·X(ω),(6)

U(ω)＝Z_e·I(ω)+jωBl·X(ω),(7)

其中Z_e＝R_e+jωL_e为线圈的电阻抗，可认为Z_e≈R_e；

则 $Z=R_e+\frac{{\left(Bl\right)}^2}{Z_m}---\left(8\right)$

其中，为电机的阻抗曲线，它可采用反馈测量的方式，由线性电机的工作电压以及线圈电流实时计算得到；

根据Z、R_e值计算得到线性电机的等效机械阻抗Z′_m。

步骤S4：实时相位调整；

具体地，所述相位控制模块17接收所述相位差计算模块16的数据信号，实时调整所述第一线性电机111的驱动信号，使所述第一线性电机111与所述第二线性电机112振动同步。

基于上述原理分析，本发明提供的线性电机相位同步控制系统及其控制方法同样可以应用于多电机应用中的相位同步；并且对电机型号不完全相同的多电机应用情形也能够适用。

与相关技术相比，本发明提供的线性电机相位同步控制系统及其控制方法，通过增加相位差计算模块实时计算等效机械阻抗相位差，再根据等效机械阻抗相位差，实时调整每个线性电机的相对相位，使多个线性电机振动同步。本发明提供的线性电机相位同步控制系统及其控制方法，各线性电机的相位调整精度高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种线性电机相位同步控制系统，其特征在于，包括：

多个线性电机；

信号输入单元，输入每个所述线性电机的驱动信号，所述驱动信号驱动所述线性电机工作；

电机参数模块，存储每个所述线性电机的电力耦合系数；

工作参数反馈模块，反馈每个所述线性电机的实时工作电压、线圈电流值；

相位差计算模块，根据所述电机参数模块和所述工作参数反馈模块的数据信号，计算得到等效机械阻抗相位差；

相位控制模块，根据所述相位差计算模块计算得到的等效机械阻抗相位差数据信号，调整每个所述线性电机的驱动信号，使多个所述线性电机振动同步。

2.根据权利要求1所述的线性电机相位同步控制系统，其特征在于，所述信号输入单元还包括输入每个线性电机的低频探测信号。

3.根据权利要求2所述的线性电机相位同步控制系统，其特征在于，所述线性电机相位同步控制系统还包括用于放大所述驱动信号和低频探测信号的信号放大单元。

4.一种线性电机相位同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供多个线性电机、信号输入单元、电机参数模块、工作参数反馈模块、相位差计算模块及相位控制模块；

信号输入：通过所述信号输入单元分别输入每个所述线性电机的驱动信号，所述驱动信号驱动对应的所述线性电机工作；

反馈实时工作参数：所述工作参数反馈模块实时反馈每个所述线性电机的实时工作电压、线圈电流值；

等效机械阻抗相位差计算：所述相位差计算模块根据所述电机参数模块存储的所述线性电机的电力耦合系数及所述工作参数反馈模块提供的所述线性电机实时工作电压、线圈电流值，分别计算出每个线性电机实时的等效机械阻抗，再分别计算两个所述线性电机的等效机械阻抗相位差；

实时相位调整：所述相位控制模块根据所述相位差计算模块的数据信号，实时调整每个所述线性电机的驱动信号，使多个所述线性电机振动同步。

5.根据权利要求4所述的线性电机相位同步控制方法，其特征在于，在所述信号输入步骤中，还包括低频探测信号输入。

6.根据权利要求5所述的线性电机相位同步控制方法，其特征在于，所述低频探测信号为正弦信号，其频率为40Hz，幅值为50mV。

7.根据权利要求5所述的线性电机相位同步控制方法，其特征在于，所述线性电机相位同步控制方法还包括放大所述驱动信号和低频探测信号。