CN108462416A - 一种多绕组音圈电机的振动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多绕组音圈电机的振动控制系统，该音圈电机包括定子、动子、设于定子和动子之间的支撑机构；动子设有用于推动支撑机构实现定位任务的动力绕组、以及用于实现振动抑制的控制绕组；并包括编码器、上位机、驱动器A和驱动器B等控制模块。本发明将音圈电机绕组分为动力绕组和控制绕组，动力绕组负责驱动电机实现位置伺服控制，控制绕组用于输出粘性阻尼力，从而实现抑制振动、提高系统控制精度。

Description

一种多绕组音圈电机的振动控制系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体地说是一种多绕组音圈电机的振动控制系统。
背景技术
音圈电机能够实现大行程高精度的定位任务，但是，由于其在高速启停以及高频率往复运动中受到导轨摩擦力或是柔性机构残余振动的影响，很容易引起其位置、速度或加速度的反复变化，即产生大幅度长时间的振动，从而减慢响应速度，降低控制精度。
国内外有大量关于振动抑制的研究：PID控制器是经典控制理论中使用最广泛的控制器。Si-Lu Chen在系统速度环采用PI控制器，有效抑制速度环扰动，从而达到控制二自由度直线—旋转电机的目的。但是仅仅采用这种控制方式难以达到超高精度的定位要求；并且，PID控制器也无法同时抑制系统多个振动模态。此外，以正位置反馈为代表的控制方式能有效的提高系统阻尼，抑制振动，从而得到了大量的研究：M.Ratnam等人采用频率响应的方式，分析加入正位置反馈(PPF)后系统特性，通过设计参数避免传递函数分母实虚部零点过于靠近，从而达到减小谐振峰值，抑制振动的目的。但是，该方法会提高系统静态增益，并且控制器参数整定过程较复杂。因此需要在正反馈外环再增加反馈控制环节，并且需要通过理论分析确定合理的参数整定方案。
通常来说，增大系统阻尼，是抑制振动、提高控制精度最有效的方法：Lew等人通过增加柔性结构阻尼，从而改变闭环系统响应，较为有效地抑制了柔性结构的振动。此外，流体阻尼器可以为柔性系统提供合适的附加的阻尼。但是，这一类阻尼器的抑制振动的性能会随着粘性液体的泄露而下降。而电涡流阻尼器是另一种抑制系统振动的有效方法该方法能有效减少振动能量：杨俊在其硕士论文中设计了一种混合励磁的直线电磁阻尼器控制系统，并且提出了以电流环为内环、力环为外环的双闭环结构控制策略。Henry A.Sodano和Jae-Sung Bae分析了电涡流阻尼器的特性，通过不与系统结构接触的方式消耗系统能量，从而达到增大系统阻尼的作用。但是对于所述多绕组音圈电机，体积较小，没有多余的空间用于安装电涡流阻尼器。
发明内容
本发明针对多绕组音圈电机的振动问题，提供一种多绕组音圈电机的振动控制系统，将音圈电机绕组分为动力绕组和控制绕组，动力绕组负责驱动电机实现位置伺服控制，控制绕组用于输出粘性阻尼力，从而实现抑制振动、提高系统控制精度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多绕组音圈电机的振动控制系统，该音圈电机包括定子、动子、设于定子和动子之间的支撑机构；动子设有用于推动支撑机构实现定位任务的动力绕组、以及用于实现振动抑制的控制绕组；并包括以下控制模块：
编码器，用于采集音圈电机的瞬时位置信号，并将其发送至上位机；
上位机，用于接收编码器发送的位置信号，并进行差分运算得到速度信号，在此基础上完成音圈电机的位置伺服控制以及振动控制；
驱动器A，用于输出基于位置伺服控制的电流驱动动力绕组；
驱动器B，用于输出基于振动控制的电流驱动控制绕组。
上述振动控制系统中的编码器安装于音圈电机上，并将信号输出端口与上位机相连；上位机的位置伺服控制信号输出端口和振动控制信号输出端口分别与驱动器A和驱动器B相连；所述驱动器A的电流输出端连接至音圈电机的动力绕组，驱动器B的电流输出端连接至音圈电机的控制绕组。
上述的振动控制系统包括以下控制步骤：
步骤1、编码器以T为采样周期采集音圈电机位置信号P，并发送至上位机；
步骤2、上位机接收电机位置信号P(k)，利用差分运算得到音圈电机速度信号V；
步骤3、上位机处理音圈电机速度信号V，利用基于粘性阻尼的振动抑制算法，得到振动控制信号S，并发送至驱动器B；
步骤4、驱动器B接收振动控制信号S，输出对应电流驱动音圈电机控制绕组输出阻尼力。
上述基于粘性阻尼的振动抑制算法通过以下步骤来计算：
步骤(1、差分运算得到音圈电机瞬时速度信号：
步骤(2、通过以下公式计算保证系统稳定的粘性阻尼系数C：
第一公式，给出被控对象的传递函数模型：
其中R为动力绕组线圈电阻，Kf为音圈电机推力常数，m为音圈电机动子质量，K为柔性支撑机构刚度；
第二公式，加入粘性阻尼后系统实际传递函数：
其中τ为延迟时间；
第三公式，利用Pade近似得到加入粘性阻尼后系统等效传递函数模型：
第四公式，得到系统特征多项式：
Rmτs3+(Kf 2τ+2Rm-RCτ)s2+(2Kf 2+2CR+KRτ)s+2RK＝0；
第五公式，由赫尔维茨稳定性判据离线计算得到稳定粘性阻尼系数C的可取范围：
步骤(3、选取可取范围内粘性阻尼系数Cn输入上位机，上位机输出正比于音圈电机速度的振动控制信号CV,进而由控制绕组输出正比于音圈电机速度的阻尼力F。
上述的音圈电机包括由洛伦兹力驱动的音圈电机等。
上述定子的磁钢充磁方式包括平行充磁、径向充磁和Halbach结构等。
上述的支撑机构不限，包括导轨支撑结构和柔性支撑机构等。
上述的上位机是可实现信号输入输出以及处理的工控机系统。
上述的上位机可以采用PLC系统或Labview系统等。
与现有技术相比，本发明的优点具有：
1、不需要附加任何外部阻尼设备，将音圈电机绕组分为动力绕组与控制绕组，利用控制绕组输出阻尼力；
2、由于是采用电流驱动的绕组输出阻尼力，因此其抑制振动的效率不会像传统的流体阻尼器样会随着液体泄漏而下降，只要驱动器正常运行，本发明中阻尼器就能正常发挥功能；
3、相较于传统的PID控制，正反馈控制，本发明只有唯一参数即粘性阻尼系数C，且通过实验即能整定出合适的参数；
4、本发明提出了基于赫尔维茨稳定性判据的计算稳定粘性阻尼系数C可取范围的方法，为参数选择提供了依据；
5、本发明能够有效抑制多绕组音圈电机的振动，提高控制精度，使系统稳态位置误差下降50％。
附图说明
图1是本发明实施例的整体模块结构示意图。
图2是本发明实施例中音圈电机的结构原理示意图。
图3是本发明实施例中加入粘性阻尼前系统阶跃响应图。
图4是本发明实施例中加入粘性阻尼后系统阶跃响应图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图4所示为本实施例的结构示意图。
如图1所示为整体模块结构示意图，多绕组音圈电机的振动控制系统包括以下控制模块：
编码器，用于采集音圈电机的瞬时位置信号，并将其发送至上位机；
上位机，用于接收编码器发送的位置信号，并进行差分运算得到速度信号，在此基础上完成音圈电机的位置伺服控制以及振动控制；
驱动器A，用于输出基于位置伺服控制的电流驱动动力绕组；
驱动器B，用于输出基于振动控制的电流驱动控制绕组。
如图2所示为音圈电机的结构原理示意图，音圈电机包括定子、动子、设于定子和动子之间的支撑机构，动子设有用于推动支撑机构实现定位任务的动力绕组、以及用于实现振动抑制的控制绕组。
编码器安装于音圈电机上，并将信号输出端口与上位机相连。上位机的位置伺服控制信号输出端口和振动控制信号输出端口分别与驱动器A和驱动器B相连。所述驱动器A的电流输出端连接至音圈电机的动力绕组，驱动器B的电流输出端连接至音圈电机的控制绕组。
该振动控制系统包括以下控制步骤：
步骤1、编码器以T为采样周期采集音圈电机位置信号P，并发送至上位机；
步骤2、上位机接收电机位置信号P(k)，利用差分运算得到音圈电机速度信号V；
步骤3、上位机处理音圈电机速度信号V，利用基于粘性阻尼的振动抑制算法，得到振动控制信号S，并发送至驱动器B；
步骤4、驱动器B接收振动控制信号S，输出对应电流驱动音圈电机控制绕组输出阻尼力。
上述基于粘性阻尼的振动抑制算法通过下述步骤来计算：
步骤(1、差分运算得到音圈电机瞬时速度信号：
步骤(2、通过以下公式计算保证系统稳定的粘性阻尼系数C：
第一公式，给出被控对象的传递函数模型：
其中R为动力绕组线圈电阻，Kf为音圈电机推力常数，m为音圈电机动子质量，K为柔性支撑机构刚度；
第二公式，加入粘性阻尼后系统实际传递函数：
其中τ为延迟时间；
第三公式，利用Pade近似得到加入粘性阻尼后系统等效传递函数模型：
第四公式，得到系统特征多项式：
Rmτs3+(Kf 2τ+2Rm-RCτ)s2+(2Kf 2+2CR+KRτ)s+2RK＝0；
第五公式，由赫尔维茨稳定性判据离线计算得到稳定粘性阻尼系数C的可取范围：
当支撑机构为导轨，同样可以通过其传递函数模型通过上述方式获得稳定粘性阻尼系数C的可取范围；
步骤(3、选取可取范围内粘性阻尼系数Cn输入上位机，上位机输出正比于音圈电机速度的振动控制信号CV,进而由控制绕组输出正比于音圈电机速度的阻尼力F。
根据步骤(3中所述方式得到不同粘性阻尼系数Cn下实验结果，权衡系统稳定性，快速性和准确性，根据实际应用需求确定合适的阻尼系数，并在上位机中实现定阻尼，分段阻尼，模糊阻尼等阻尼具体控制算法。
本实施例中，音圈电机是由洛伦兹力驱动的音圈电机，包括平板式，圆筒式等各种结构形式。
本实施例中，定子的磁钢充磁方式包括平行充磁、径向充磁和Halbach结构。
本实施例中，支撑机构为柔性支撑机构，也可以是各种形式的导轨支撑结构。
本实施例中，上位机是可实现信号输入输出以及处理的工控机系统。上位机还可以采用PLC系统或Labview系统。
本实施例中，上位机由dSPACE半实物仿真系统实现，位置伺服控制及振动抑制算法通过Simulink搭建完成并下载至dSPACE，编码器采用MicroE6000系列高精度编码器，驱动器A和驱动器B均采用Varedan线性放大器，按照上述步骤对如图2所示结构的音圈电机进行实验。
图3为加入粘性阻尼前系统阶跃响应，图4位加入粘性阻尼后系统阶跃响应。按照上述振动控制方法，加入粘性阻尼后系统稳态位置误差下降50％，由40nm下降至20nm。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种多绕组音圈电机的振动控制系统，所述的音圈电机包括定子、动子、设于定子和动子之间的支撑机构，其特征在于：所述的动子设有用于推动支撑机构实现定位任务的动力绕组、以及用于实现振动抑制的控制绕组；并包括以下控制模块：
编码器，用于采集音圈电机的瞬时位置信号，并将其发送至上位机；
上位机，用于接收编码器发送的位置信号，并进行差分运算得到速度信号，在此基础上完成音圈电机的位置伺服控制以及振动控制；
驱动器A，用于输出基于位置伺服控制的电流驱动所述的动力绕组；
驱动器B，用于输出基于振动控制的电流驱动所述的控制绕组。
2.根据权利要求1所述的振动控制系统，其特征在于：所述的编码器安装于音圈电机上，并将信号输出端口与上位机相连；上位机的位置伺服控制信号输出端口和振动控制信号输出端口分别与驱动器A和驱动器B相连；所述驱动器A的电流输出端连接至音圈电机的动力绕组，驱动器B的电流输出端连接至音圈电机的控制绕组。
3.根据权利要求2所述的振动控制系统，其特征在于：包括以下控制步骤：
步骤1、编码器以T为采样周期采集音圈电机位置信号P，并发送至上位机；
步骤2、上位机接收电机位置信号P(k)，利用差分运算得到音圈电机速度信号V；
步骤3、上位机处理音圈电机速度信号V，利用基于粘性阻尼的振动抑制算法，得到振动控制信号S，并发送至驱动器B；
步骤4、驱动器B接收振动控制信号S，输出对应电流驱动音圈电机控制绕组输出阻尼力。
4.根据权利要求3所述的振动控制系统，其特征在于：所述基于粘性阻尼的振动抑制算法通过下述步骤计算：
步骤(1、差分运算得到音圈电机瞬时速度信号：
步骤(2、通过以下公式计算保证系统稳定的粘性阻尼系数C：
第一公式，给出被控对象的传递函数模型：
其中R为动力绕组线圈电阻，Kf为音圈电机推力常数，m为音圈电机动子质量，K为柔性支撑机构刚度；
第二公式，加入粘性阻尼后系统实际传递函数：
其中τ为延迟时间；
第三公式，利用Pade近似得到加入粘性阻尼后系统等效传递函数模型：
第四公式，得到系统特征多项式：
Rmτs3+(Kf 2τ+2Rm-RCτ)s2+(2Kf 2+2CR+KRτ)s+2RK＝0；
第五公式，由赫尔维茨稳定性判据离线计算得到稳定粘性阻尼系数C的可取范围：
步骤(3、选取可取范围内粘性阻尼系数Cn输入上位机，上位机输出正比于音圈电机速度的振动控制信号CV,进而由控制绕组输出正比于音圈电机速度的阻尼力F。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的振动控制系统，其特征在于：所述的音圈电机是由洛伦兹力驱动的音圈电机。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的振动控制系统，其特征在于：所述定子的磁钢充磁方式包括平行充磁、径向充磁和Halbach结构。
7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的振动控制系统，其特征在于：所述的支撑机构包括导轨支撑结构和柔性支撑机构。
8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的振动控制系统，其特征在于：所述的上位机是可实现信号输入输出以及处理的工控机系统。
9.根据权利要求8所述的振动控制系统，其特征在于：所述的上位机采用PLC系统或Labview系统。
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