CN108233815A - 一种基于pwm的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法 - Google Patents

一种基于pwm的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法。在音圈电机伺服控制系统中，音圈电机在被PWM驱动的过程中存在一段执行效率较低的部分，导致系统在控制过程中调节时间增加，鲁棒性变差的缺陷；本申请针对该缺陷提出了一种位置环和速度环构成的“双闭环”控制算法。其中位置环采用PID算法控制音圈电机精确偏转到指定位置，速度环根据音圈电机运动速度及其所处的位置控制位置环中PID算法。该算法提高了音圈电机执行效率，极大缩短了系统的调节时间，并增强了系统的稳健性。

Description

一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法
技术领域
本申请属于精密伺服控制技术领域，尤其涉及一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法。
背景技术
在高速精密光束指向系统中，为了控制反射镜快速精确偏转到给定角度，需要合理选择驱动反射镜的执行器件。音圈电机是单相两极装置，是一种通过安培力驱动的线性运动电机。具有结构简单，响应快，运动精度高等特性。随着对高速、高精度定位系统性能要求的提高，以及音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛用于高速、高精度系统中；例如激光录像机、医学装置中精密电子管及光学系统中透镜定位等。
音圈电机的驱动方式有两种，一种是直接通过线性功率放大器驱动，该方式不足之处在于线性功率放大器驱动音圈电机工作时器件功耗大，尤其在密闭的环境中散热成为问题，小功率音圈电机常用该驱动方式；另一种驱动方式为开关型脉宽宽度调制式(PWM)，脉宽宽度调制式稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。具有实现容易、控制简单、动态响应好、控制精度高等优点。PWM驱动音圈电机方式广泛应用于自动控制系统中，例如在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，王福超、田大鹏等采用PWM驱动音圈电机的方式控制快速反射镜系统，系统带宽达到150Hz以上；北京航空航天大学张立佳、王大彧和郭宏利用PWM设计了基于音圈电机的直驱阀阀芯位置控制系统等。由于音圈电机自身工作原理的限制，当输入信号频率较高时会导致线圈的阻抗升高，导致输入的控制效率降低。基于此，当输入的PWM信号占空比较小时其信号中主要为高频成分，因此在该状态下PWM的驱动效率较低，系统无法获得理想的动态特性。因此，若直接采用传统的闭环控制算法难以满足高动态特性要求，本文将采用一种新型闭环控制算法，降低由于PWM驱动信号占空比降低对动态特性带来的影响，并验证该算法在高速精密光束指向系统中的运用。
高速精密光束指向系统结构由两两相互对称的四个音圈电机通过柔性铰链连接反射镜组成系统结构如图1所示。音圈电机采用推拉的方式控制反射镜偏转到指定角度。其中沿竖直方向对称的一组音圈电机控制反射镜沿X轴方向移动，水平方向对称的一组音圈电机控制反射镜沿Y轴方向移动。通过两组音圈电机相互作用，系统可以偏转到任意方向指定的角度。由于功耗及发热量等条件限制，本系统采用PWM信号方式直接驱动电机。
根据实际系统工作特性，选择PWM驱动音圈电机的开关频率为20KHz，在系统实际测试中发现：在PWM占空比较小范围内，音圈电机的执行效率较低。如图2所示，在开环状态下，测试PWM占空比与音圈电机控制反射镜偏角关系。
从图2中可以看出：系统开环状态下，在PWM占空比-0.11～0.11范围内，音圈电机控制的反射镜未发生任何偏转，称该占空比范围为PWM占空比“控制死区”。在该范围外，系统反射镜偏转角度随着PWM占空比的增加呈线性变化；在PWM占空比“控制死区”内，由于音圈电机执行效率较低，利用经典PID控制算法不能对高速精密光束指向系统进行快速精确地控制。控制效果如图3所示。从图3a可以看出，PID算法根据经过占空比控制死区的阶跃信号控制系统产生阶跃响应，跨度小的阶跃信号系统调节时间较长，动态性能较差；图3b表明，跨度大的调节时间变短，但是引起系统振荡严重，控制效果不理想。
发明内容
为了提高系统动态性能及稳定性，降低上述问题对系统造成的影响，本申请实施例提出了一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法，是一种位置环和速度环构成的“双闭环”控制方法，能够极大缩短系统的调节时间。
本申请的基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法，所述方法采用位置环和速度环相结合的方式，通过位置环实现对音圈电机连接的反射镜进行控制，速度环根据音圈电机移动速度的大小实现对位置环中PID积分部分控制。
进一步地，所述控制方法的具体步骤包括：
S1、系统初始化；
S2、给定目标角度r(k)；
S3、获取当前角度u(k)，进入步骤S4；
S4、产生偏差信号e(k)；进入步骤S5；
S5、进行位置环闭环的PID控制；
S6、判断是否达到期望角度？若是，结束本次控制；若否，回到S4。
进一步地，还包括步骤S31～S35，被执行在如下控制过程中：
所述步骤S3进一步包括获取当前角度u(k)，进入步骤S4，同时执行步骤S31；
所述步骤S4进一步包括产生偏差信号e(k)；进入步骤S5和步骤S35；所述偏差信号将在速度环中作为输入值，在位置环中作为控制量；
步骤S31～S35的具体步骤为：
S31、判断r(k)＜u(k)是否成立？若是，进入S32；若否，进入S33；
S32、判断Upos＜u(k)＜Upos+a是否成立？若是，进入S34；若否，回到S31；
其中，a为常数，表征被控对象进入“控制死区”前预留空间的大小；
S33、条件满足r(k)＞u(k)时，进入S331；
S331、判断Uneg-a＜u(k)＜Uneg是否成立？若是，进入S34；若否，回到S331；
S34、获取当前速度v(k)；进入步骤S35；
S35、进行速度环闭环控制，并将该结果叠加到步骤S5的PID控制中，即实现对位置环中PID积分部分控制；
所述步骤S32中Upos、步骤S331中Uneg，为反射镜偏转角度位于[Uneg，Upos]占空比死区对应的角度范围的两个端点值。
进一步地，所述PID控制的输出值y(k)满足如下条件：
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制的比例系数、积分系数以及微分系数；e(k)是当前时刻产生的偏差，e(k-1)为上一时刻产生的偏差，M为速度环输出结果，[Uneg，Upos]为占空比死区对应的角度范围。
进一步地，所述反射镜为快速偏转反射镜。
本申请还提供了一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统，所述系统能够执行上述的控制方法。
进一步地，所述系统包括PWM控制器、音圈电机、柔性铰链、光源以及反射镜。
进一步地，所述系统的所述音圈电机为两两相互对称的四个音圈电机。
进一步地，所述系统的光源为激光光源。
进一步地，所述系统能够通过应用程序被移动终端或上位计算机非接触地控制。
本申请的技术方案中，位置环采用PID算法控制音圈电机精确偏转到指定位置，速度环根据音圈电机运动速度及其所处的位置控制位置环中PID算法。提高了音圈电机执行效率，极大缩短了系统的调节时间，并增强了系统的稳健性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为高速精密光束指向系统结构示意图；
图2为PWM占空比与音圈电机控制反射镜偏转角度关系示意图；
图3a、图3b为现有技术中不同占空比下PWM控制死区对系统的影响效果图；
图4为依照本申请实施例的“双闭环”控制算法结构示意图；
图5为“双闭环”算法流程图图；
图6为本申请“双闭环”算法与常规算法的响应曲线比较图。
具体实施方式
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本领域技术人员可以理解，本申请中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
图4为依照本申请实施例的“双闭环”控制算法结构示意图。“双闭环”控制算法基于经典PID控制算法误差消除误差的思想实现。该算法采用位置环和速度环相结合的方式，通过位置环实现对音圈电机连接的反射镜控制，速度环根据音圈电机移动速度的大小实现对位置环中PID算法积分部分控制。
“双闭环”控制算法的输入变量为期望值r(k)与输出值u(k)之间产生偏差信号e(k)，PID控制器根据偏差信号e(k)计算出输出值y(k)，进而将输出值y(k)对应的PWM占空比驱动音圈电机使得反射镜向期望角度偏转。其中PID控制器公式如下：
y(k)＝Kp*e(k)+Ki*∫e(k)+Kd*(e(k)-e(k-1)) (1)
Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例系数、积分系数以及微分系数；e(k)是当前时刻产生的偏差，e(k-1)为上一时刻产生的偏差；同时，产生的偏差信号e(k)与期望的速度v(k)做差分产生速度偏差信号ve(k)，并根据测试占空比死区对应的角度范围[Uneg，Upos]判断音圈电机当前位置是否处于占空比死区范围内，如果处于该范围内，则将速度偏差信号作为速度环的输出结果M，并将该结果叠加在PID控制器上，从而实现“双闭环”控制。其中期望速度v(k)根据反射镜偏转角度位于[Uneg，Upos]范围临界区上一时刻速度v(k-1)确定，并在[Uneg，Upos]范围内保持该速度不变，超出该范围后，速度环控制失效。v(k)取值如公式2所示：
则速度环输出结果M的取值如公式3所示：
M＝Ks*ve(k)+KI*∫ve(k) (3)
Ks为速度环中比例系数，KI为速度环中积分系数。
则整个控制器输出表达式为：
双闭环算法的流程图如图5所示，基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法步骤如下：
S1、系统初始化；
S2、给定目标角度r(k)；
S3、获取当前角度u(k)，进入步骤S4，同时执行步骤S31；
S4、产生偏差信号e(k)；进入步骤S5和步骤S35；所述偏差信号将在速度环中作为输入值，在位置环中作为控制量；
S5、进行位置环闭环控制；
S6、判断是否达到期望角度？若是，结束本次控制；若否，回到S4；
S31、判断r(k)＜u(k)是否成立？若是，进入S32；若否，进入S33；
S32、判断Upos＜u(k)＜Upos+a是否成立(其中，a为常数，在算法当中，当控制的被控对象接近“占空比死区”时，需要给被控对象留出一段区间，在该区间内记录控制对象当前的速度，并将该速度作为速度环中的目标值，使被控对象在“占空比死区”保持该速度运动，而a就是被控对象进入“控制死区”前预留空间的大小)？若是，进入S34；若否，回到S31；
S33、条件满足r(k)＞u(k)时，进入S331(r(k)＝u(k)时，则表明没有偏差，不需调控，故在本流程图内未示出)；
S331、判断Uneg-a＜u(k)＜Uneg是否成立？若是，进入S34；若否，回到S331；
S34、获取当前速度v(k)；进入步骤S35；
S35、进行速度环闭环控制，并将该结果叠加在PID控制中，叠加到步骤S5。
为了验证算法的有效性，将“双闭环”控制算法应用于音圈电机控制的高速精密光束指向系统，调整控制算法中的各项参数，并通过外部电路给出测量系统阶跃信号，使得当前值与该阶跃信号区间范围包含占空比控制死区对应的角度范围。图6示出了本申请“双闭环”算法与常规算法的响应曲线比较。从曲线中可以看出“双闭环”算法曲线的上升时间明显加快，调整时间t2远小于常规控制算法的调整时间t1，并且振荡削弱明显。
进一步地，所述系统能够通过应用程序被移动终端或上位计算机非接触地控制。其中，移动终端包括手机、平板电脑、或其他智能终端；上位计算机可以是PC或工业计算机，非接触控制可以是近场控制，也可以是远程控制或者介于两者之间，或多种控制的组合。
进一步地，所述反射镜可以是快速偏转反射镜(FSM)。
本申请实施例结合PWM驱动音圈电机线性运动的特性，针对PWM控制的音圈电机存在占空比死区问题，提出了“双闭环”控制算法，当音圈电机位置处于占空比控制死区时，该算法能够降低该控制死区对整个控制回路的影响，大大地降低了系统的调节时间，并使得在死区范围内震荡次数减弱，振荡时间减小，提高了系统的稳定性。同时，该算法对于占空比死区范围外部分，速度环作用消失，不影响位置环PID控制参数，使得控制算法中各项参数能够独立调节，参数整定容易。同时系统振荡也得到极大地削弱，提高了整个高速精密光束指向系统的调节时间，获得了较好的控制效果。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法，其特征在于，所述方法采用位置环和速度环相结合的方式，通过位置环实现对音圈电机连接的反射镜进行控制，速度环根据音圈电机移动速度的大小实现对位置环中PID积分部分控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1、系统初始化；
S2、给定目标角度r(k)；
S3、获取当前角度u(k)，进入步骤S4；
S4、产生偏差信号e(k)；进入步骤S5；
S5、进行位置环闭环的PID控制；
S6、判断是否达到期望角度？若是，结束本次控制；若否，回到S4。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤S31～S35，被执行在如下控制过程中：
所述步骤S3进一步包括获取当前角度u(k)，进入步骤S4，同时执行步骤S31；
所述步骤S4进一步包括产生偏差信号e(k)；进入步骤S5和步骤S35；所述偏差信号将在速度环中作为输入值，在位置环中作为控制量；
步骤S31～S35的具体步骤为：
S31、判断r(k)＜u(k)是否成立？若是，进入S32；若否，进入S33；
S32、判断Upos＜u(k)＜Upos+a是否成立？若是，进入S34；若否，回到S31；
其中，a为常数，表征被控对象进入“控制死区”前预留空间的大小；
S33、条件满足r(k)＞u(k)时，进入S331；
S331、判断Uneg-a＜u(k)＜Uneg是否成立？若是，进入S34；若否，回到S331；
S34、获取当前速度v(k)；进入步骤S35；
S35、进行速度环闭环控制，并将结果叠加到步骤S5的PID控制中，即实现对位置环中PID积分部分控制；
所述步骤S32中Upos、步骤S331中Uneg，为反射镜偏转角度位于[Uneg，Upos]占空比死区对应的角度范围的两个端点值。
4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，所述PID控制的输出值y(k)满足如下条件：
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制的比例系数、积分系数以及微分系数；e(k)是当前时刻产生的偏差，e(k-1)为上一时刻产生的偏差，M为速度环输出结果，[Uneg，Upos]为占空比死区对应的角度范围。
5.根据权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，所述反射镜为快速偏转反射镜。
6.一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统，其特征在于，所述系统能够执行权利要求1-5任一项所述的控制方法。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包括PWM控制器、音圈电机、柔性铰链、光源以及反射镜。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述音圈电机为两两相互对称的四个音圈电机。
9.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，系统的光源为激光源。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统能够通过应用程序被移动终端和/或上位计算机非接触地控制。
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Application publication date: 20180629

Assignee: BEIJING RUIKONGXIN TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Beijing Information Science & Technology University

Contract record no.: X2020990000708

Denomination of invention: A control method of high speed precision beam pointing system of voice coil motor based on PWM

Granted publication date: 20200904

License type: Common License

Record date: 20201228

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Granted publication date: 20200904

Termination date: 20210123

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