CN116345982B - 音圈电机控制方法、系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种音圈电机控制方法、系统及设备，包括如下步骤：根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；根据控制信号控制音圈电机转动。本申请的方法在不改变控制器时钟频率和控制周期的情况下，通过变频控制降低了调节分辨率，从而保障更高的控制精度，提高了音圈电机的高精度匀速控制水平。

Description

音圈电机控制方法、系统及设备
技术领域
本申请涉及音圈电机控制技术领域，特别涉及一种音圈电机控制方法、系统及设备。
背景技术
音圈电机是一种特殊形式的直线驱动电机，具有结构简单、体积小、高速、响应快等特性。其工作原理是通电线圈在磁场内受力运动(安培力)，受力的大小与通电电流成比例关系。
音圈电机的驱动主要有两种方案：一种是通过应用线性功率放大器件的恒流驱动；另一种是通过驱动芯片和MOSFE结合驱动。相比较而言，第二种方案的成本较低、散热性好、功耗低且效率高。
音圈电机控制主要分为位置控制与速度控制，速度控制相对而言难度更高，目前市场上对音圈电机的速度控制比较粗糙，无法做到高精度控制。
发明内容
本申请的实施例提供一种音圈电机控制方法、系统及设备，以解决现有技术中无法对音圈电机进行高精度速度控制的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例公开了如下技术方案：
第一方面，提供了一种音圈电机控制方法，包括如下步骤：
根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；
根据所述增量电压值获得变频控制参数，通过所述变频控制参数得到控制信号；
根据所述控制信号控制音圈电机转动。
结合第一方面，所述音圈电机的速度偏差的获取方法包括如下步骤：
获取所述音圈电机的目标速度；
获取所述音圈电机当前的实际运动速度；
根据所述目标速度和所述运动速度计算获得速度偏差。
结合第一方面，所述的根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值的方法包括如下步骤：
获取所述音圈电机在多个时刻下的运动速度偏差，包括第一偏差值、第二偏差值和第三偏差值；
获取速度比例参数、速度积分参数和速度微分参数；
将所述第一偏差值减去所述第二偏差值获得的结果与所述比例参数相乘得到第一数据；
将所述第一偏差值与所述速度积分参数相乘得到第二数据；
将所述第一偏差值减去所述第二偏差值再加所述第三偏差值获得的结果与所述速度微分参数相乘获得第三数据；
将所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据相加即可获得增量电压值。
结合第一方面，所述的根据所述增量电压值计算获得变频控制参数的方法包括如下步骤：
获取所述增量电压值，并通过优化后的控制系数对所述增量电压值进行计算获得控制参数；
其中，所述控制系数包括第一系数和第二系数；
所述第一系数为分母，用于控制所述增量电压值的输出持续时间；
所述第二系数为分子，用于控制所述增量电压值的输出强度。
结合第一方面，对所述控制系数进行优化的方法包括：
将所述第二系数减一得到第一差值；
将所述第一系数减一得到第二差值；
将所述第一差值除以所述第二差值得到第三系数；
将所述第二系数除以所述第一系数并减去所述第三系数，得到第三差值，所述第三差值为优化后的所述控制系数。
结合第一方面，通过所述变频控制参数得到控制信号的方法包括如下步骤：
对获得变频控制参数进行滤波去噪后获得控制信号；
将所述控制信号输入至所述音圈电机。
第二方面，提供了一种音圈电机控制系统，所述系统包括：
PID计算单元，所述PID计算单元用于根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；
变频控制单元，所述变频控制单元用于根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；
H桥集成驱动单元，所述H桥集成驱动单元用于根据控制信号控制音圈电机转动。
结合第二方面，所述系统还包括速度检测单元，所述速度检测单元用于获取当前音圈电机的实际运动速度。
结合第二方面，所述PID计算单元还用于根据获取的音圈电机的目标速度和音圈电机的实际运动速度计算获得速度偏差。
第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如第一方面所述的音圈电机控制方法。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本申请的一种音圈电机控制方法，包括如下步骤：根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；根据控制信号控制音圈电机转动。本申请的方法在不改变控制器时钟频率和控制周期的情况下，通过变频控制降低了调节分辨率，从而保障更高的控制精度，提高了音圈电机的高精度匀速控制水平。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的方流程示意图；
图2为本申请实施例提供的系统结构示意图。
具体实施方式
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。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请提供了一种音圈电机控制方法和系统，尤其是音圈电机高精度变频匀速控制方法，控制策略为PID闭环控制，音圈电机的驱动方式为H桥式驱动芯片，电流给定方式为PWM。传统的线性PWM控制方式受限于控制器时钟频率与控制周期，控制精度往往不高。本申请为了提高音圈电机的控制精度，采用变频PWM控制方式，能够在不改变控制器时钟频率和控制周期的情况下，通过变频控制增加控制分辨率，从而提高控制精度。
以下通过实施例来阐述本申请的具体实施方式：
在本申请实施例中，如图1所示，提供了一种音圈电机控制方法，包括如下步骤：
S1：根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；
速度偏差的获取方法包括：
S11：获取音圈电机的目标速度；
S12：获取音圈电机当前的实际运动速度；
S13：根据目标速度和运动速度计算获得速度偏差。
增量电压值的计算方法包括：
S101：获取音圈电机在多个时刻下的运动速度偏差，包括第一偏差值、第二偏差值和第三偏差值；
S102：获取速度比例参数、速度积分参数和速度微分参数；
S103：将第一偏差值减去第二偏差值获得的结果与比例参数相乘得到第一数据；
S104：将第一偏差值与速度积分参数相乘得到第二数据；
S105：将第一偏差值减去第二偏差值获得的结果与第三偏差值相加后与速度微分参数相乘获得第三数据；
S106：将第一数据、第二数据和第三数据相加获得增量电压值。
具体的运算公式为：
ΔI(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki·e(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
其中，ΔI(k)为增量电压值；e(k)为第k次的速度偏差；e(k-1)为第k-1次的速度偏差；e(k-2)分别为第k-2次的速度偏差；Kp为PID比例参数；Ki为PID积分参数；Kd分别为PID微分参数；PID为PID控制器。
S2：根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；
获取方法包括：
获取增量电压值，并通过优化后的控制系数对增量电压值进行计算获得变频控制参数；
具体公式包括：
其中，为控制系数包括第一系数M和第二系数N；
第一系数M为分母，用于控制增量电压值的输出持续时间；
第二系数N为分子，用于控制增量电压值的输出强度。
在计算变频控制参数前还需要对控制系数进行优化，具体的方法包括：
将第二系数M减一得到第一差值，即M-1；
将第一系数N减一得到第二差值，即N-1；
将第一差值除以第二差值得到第三系数，即
将第二系数除以第一系数并减去第三系数，得到第三差值，第三差值为优化后的控制系数，即
对获得变频控制参数进行滤波去噪后获得控制信号，具体公式为：
其中，N为第二系数；M为第一系数；M∈[0,Kfreq/Cfreq/2]；N∈[0,M]；
Kfreq为控制器的时钟频率；Cfreq为控制频率。
S3：根据控制信号控制音圈电机转动。
在本申请实施例中，如图2所示，提供了一种音圈电机控制系统，系统包括：速度检测单元、PID计算单元、变频控制单元和H桥集成驱动单元。
速度检测单元用于获取当前音圈电机的实际运动速度。
PID计算单元包含PID控制器，PID(proportion-integral-differential)控制器即比例-积分-微分控制器是一种在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
PID控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID计算单元首先根据获取的音圈电机的目标速度和音圈电机的实际运动速度计算获得速度偏差；然后根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值。
变频控制单元用于根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；
为保障实时控制，一般而言PWM的频率需要不小于控制频率Cfreq，因此将PWM的频率设置为2*Cfreq，当控制器的时钟频率为Kfreq时，若PWM的频率不变的情况下，PWM信号的分母参数M始终为Kfreq/Cfreq/2，而分子参数N的调节范围为0～M。传统的PWM调节方式只改变分子参数N，因此PWM的调节分辨率为1/M。
本申请提出的变频控制是在调节分子参数N的同时调节M。一般而言，PWM频率大于频率Cfreq即可实现实时控制，假设PWM频率设定范围为2*Cfreq～n*Cfreq。PWM调节参数M的范围为Kfreq/Cfreq/n～Kfreq/Cfreq/2，调节最小分辨率由1/M减小为：
H桥集成驱动单元用于根据控制信号控制音圈电机转动。
本申请通过变频控制可以极大地降低调节分辨率，从而保障更高的控制精度，对于高精度音圈电机匀速控制系统有较大提升。
在本申请实施例中，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行计算机程序时，实现上述的音圈电机控制方法。
以上对本申请实施例所提供的一种音圈电机控制方法、系统及设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种音圈电机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；
根据所述增量电压值获得变频控制参数，通过所述变频控制参数得到控制信号；
根据所述控制信号控制音圈电机转动；
所述的根据所述增量电压值计算获得变频控制参数的方法包括如下步骤：
获取所述增量电压值，并通过优化后的控制系数对所述增量电压值进行计算获得控制参数；
其中，所述控制系数包括第一系数和第二系数；
所述第一系数为分母，用于控制所述增量电压值的输出持续时间；
所述第二系数为分子，用于控制所述增量电压值的输出强度；
在计算变频控制参数前还需要对控制系数进行优化，具体的方法包括：
将第二系数M减一得到第一差值，即M-1；
将第一系数N减一得到第二差值，即N-1；
将第一差值除以第二差值得到第三系数，即
将第二系数除以第一系数并减去第三系数，得到第三差值，第三差值为优化后的控制系数，即
2.如权利要求1所述的音圈电机控制方法，其特征在于，所述音圈电机的速度偏差的获取方法包括如下步骤：
获取所述音圈电机的目标速度；
获取所述音圈电机当前的实际运动速度；
根据所述目标速度和所述运动速度计算获得速度偏差。
3.如权利要求2所述的音圈电机控制方法，其特征在于，所述的根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值的方法包括如下步骤：
获取所述音圈电机在多个时刻下的运动速度偏差，包括第一偏差值、第二偏差值和第三偏差值；
获取速度比例参数、速度积分参数和速度微分参数；
将所述第一偏差值减去所述第二偏差值获得的结果与所述比例参数相乘得到第一数据；
将所述第一偏差值与所述速度积分参数相乘得到第二数据；
将所述第一偏差值减去所述第二偏差值再加所述第三偏差值获得的结果与所述速度微分参数相乘获得第三数据；
将所述第一数据、所述第二数据和所述第三数据相加即可获得增量电压值。
4.如权利要求1所述的音圈电机控制方法，其特征在于，通过所述变频控制参数得到控制信号的方法包括如下步骤：
对获得变频控制参数进行滤波去噪后获得控制信号；
将所述控制信号输入至所述音圈电机。
5.一种音圈电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：
PID计算单元，所述PID计算单元用于根据音圈电机的速度偏差计算获得所需的增量电压值；
变频控制单元，所述变频控制单元用于根据增量电压值获得变频控制参数，通过变频控制参数得到控制信号；根据所述增量电压值计算获得变频控制参数的方法包括如下步骤：
获取所述增量电压值，并通过优化后的控制系数对所述增量电压值进行计算获得控制参数；
其中，所述控制系数包括第一系数和第二系数；
所述第一系数为分母，用于控制所述增量电压值的输出持续时间；
所述第二系数为分子，用于控制所述增量电压值的输出强度；
在计算变频控制参数前还需要对控制系数进行优化，具体的方法包括：
将第二系数M减一得到第一差值，即M-1；
将第一系数N减一得到第二差值，即N-1；
将第一差值除以第二差值得到第三系数，即
将第二系数除以第一系数并减去第三系数，得到第三差值，第三差值为优化后的控制系数，即
H桥集成驱动单元，所述H桥集成驱动单元用于根据控制信号控制音圈电机转动。
6.如权利要求5所述的音圈电机控制系统，其特征在于，所述系统还包括速度检测单元，所述速度检测单元用于获取当前音圈电机的实际运动速度。
7.如权利要求6所述的音圈电机控制系统，其特征在于，所述PID计算单元还用于根据获取的音圈电机的目标速度和音圈电机的实际运动速度计算获得速度偏差。
8.一种电子设备，其特征在于：包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至4中任一所述的音圈电机控制方法。
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