JP2016533702A

JP2016533702A - 二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム及び二重巻線型ボイスコイルモータモジュール

Info

Publication number: JP2016533702A
Application number: JP2016518185A
Authority: JP
Inventors: リイリ; ドンファパン; チンプーグオ; チェンミンチャン; ジーウェイツァオ
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-10-27
Also published as: CN103595330B; CN103595330A; US9621084B2; US20160211782A1; WO2015043373A1

Abstract

【課題及び解決手段】主巻線と、各ペアの前記主巻線の間に配置される副巻線とを有するボイスコイルモータを駆動するための二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システムであって、第１の被制御電圧源によって電力供給してボイスコイルモータのメイン作業巻線である主巻線を駆動し、ボイスコイルモータ駆動システム作業中に必要の出力電磁推力を提供する主巻線スイッチ駆動回路と、第２の被制御電圧源によって電力供給して補償巻線である副巻線を駆動し、主巻線と反対する推力変動を提供して主巻線の推力変動を補償し、ボイスコイルモータ主巻線及び副巻線の出力推力の合力を一定に保持させる副巻線スイッチ駆動回路とを含み、うち、主巻線及び副巻線の第１、第２の被制御電圧源の電圧Ｕｄｃ１、Ｕｄｃ２は、一定の関係を満たすように配置される。【選択図】図７

Description

本発明は、ボイスコイルモータ、特に、推力補償機能を有するボイスコイルモータ及び対応する駆動回路に係わる。

ボイスコイルモータ( ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ，ＶＣＭ)は、ローレンツ力の原理に基づいて設計されたモータであり、中間変換機構を使用する必要なく、電気信号を直線変位に直接変換できる。その他のタイプの電気モータと比べると、ボイスコイルモータは、構成が簡単で体積が小さく、重量が軽くて慣性が小さく、比推力が大きいなど多くの利点を有し、応用に幅広い見通しを有し、主に高精度、高周波励起、高速及び高加速度の位置決めシステムに応用され、光学及び測定システムや、光学アセンブリ、航空宇宙の面にも広く応用されている。

現在、超高精度サーボ制御分野において、ボイスコイルモータサーボ駆動コントローラの設計案は、主にリニアパワーアンプの案とＰＷＭ（パルス幅変調）パワーコンバータの案に分けられる。超高精度サーボシステムがリニアパワーアンプの案を採用して設計を行う場合、電流レスポンスが早く、スイッチング素子がチョッパーをオンオフすることによるシステムに生ずる推力リップルを解消し、出力推力の安定性を向上させた。しかし、リニアパワーアンプの案を採用して設計を行う場合、先ずは、電流レスポンスにオーバーシュートが存在するとともに電流遷移の時の非線形領域も存在する。その次、コントローラの設計も大きく制限され、高性能的に制御することは難易度が高い。リニアパワーアンプの案で超高精度サーボシステムを設計する場合、システムデバイスの発熱量が大きく、エネルギー損失が多い。超高精度位置決めサーボシステムの重要な発展方向の１つは、高過負荷、高加速度であり、無論デバイスの電力レベルに対する要求はより高く、リニアパワーアンプの案は、ますますと超高精度サーボ制御システムの電力の必要を満たせなくなる。

ＰＷＭパワーコンバータの案で超高精度サーボシステムを設計する場合、ボイスコイルモータサーボ制御システムの制御システムの設計により柔軟性を持たせるように、デジタルプロセッサーによってシステムの制御信号を制御し、より多くて複雑な制御方式によってシステムの駆動性能を制御できるとともに、システムは、レスポンス速度が速く、効率が高い利点を有する。ただし、ＰＷＭパワーコンバータの案に不足がある。先ず、スイッチング素子がチョッパーをオンオフすることによって、システムにおいては必然と電流リップルが生じ、それで電流変動が引き起こす推力変動（スイッチング素子がチョッパーをオンオフすることによるシステムにおいて生ずる推力リップルについて、以下は全部「推力変動」と称する）は超高精度ボイスコイルモータサーボ駆動制御システムの制御性能に大きな影響を与える。次に、ＰＷＭパワーコンバータの案を採用する場合、スイッチング電路のブリッジ上下アームのストレートを防ぐために設けたデッドタイムも、駆動システムにおいて不安定な現象を引き起こす。

現在、ＰＷＭパワーコンバータの案によってシステムにおいて生ずる推力変動を減少するため、高スイッチング周波数駆動方式を採用することが多い。例えば、推力変動を減少するために、設計者はスイッチング素子のスイッチング周波数を２００ｋＨｚに向上させると、従来のサーボモータ駆動制御システムにおいて採用される１０ｋＨｚのスイッチング周波数と比べてシステムの推力変動は当初の５％に減少したが、それとともに、スイッチング素子のスイッチング周波数は当初の２０倍に上昇し、スイッチング素子のスイッチ
ング損失も当初の２０倍に上昇し、また、スイッチング素子のスイッチング周波数が上昇するため、スイッチング素子に対する要求も高くなり、駆動システムのコストが大きくなる。また、スイッチング周波数を向上させると、制御システムの制御の難易度及び駆動システムの駆動電路の設計の難易度を向上させ、システムの安定性を大きく下降させる。

前文の分析によると、ボイスコイルモータサーボ制御システムが従来のＰＷＭパワーコンバータの案を採用する場合、そのシステム構造の概略図は、図１３の通りであり、システムにおいてスイッチング素子がチョッパーをオンオフすることで主巻線に電流変動を生ずるため、ボイスコイルモータサーボシステムの出力推力の変動を引き起こす。

従来のサーボが採用する１０ｋＨｚで、ボイスコイルモータサーボ駆動システムの出力推力は、図１４Ａ〜図１４Ｃの通りである。

図１４Ａ〜図１４Ｃを参照すると、その際にボイスコイルモータサーボシステムが小さい推力を出力しており、システムの出力推力の変動範囲は９.３３９８Ｎ〜３.３３２４Ｎ、平均出力推力は６.３３６１Ｎ、出力推力変動のピークピーク値は６.００７４Ｎである。

システム出力推力変動を解決する従来の解決方法によって、システム駆動回路のスイッチング周波数を２００ｋＨｚに向上させると、システム出力推力のシミュレーション波形は図１５Ａ〜図１５Ｃの通りである。

システム駆動回路のスイッチング周波数が２００ｋＨｚに向上すると、システムの出力推力の変動範囲は、６.９９５４Ｎ〜６.６９３５Ｎ、出力推力変動のピークピーク値は０.３０１９Ｎであり、出力推力変動は１０ｋＨｚのスイッチング周波数と比べて当初の５％に減少する。

超高精度サーボ制御分野において、ボイスコイルモータサーボ駆動制御システムにＰＷＭパワーコンバータ制御の案を採用する場合の推力変動がシステムに与える影響について、本発明は、システムＰＷＭスイッチング周波数を向上させなく、ＰＷＭパワーコンバータの案を採用する場合のシステムの推力変動を有効的に減少し、システムの作業性能を向上させ、システム駆動回路の設計難易度を下降させ、システムの安定性を向上させ、システムの損失を減少させるために、以下の案を提出した。

本発明の目的の１つは、従来技術の不足を克服するために、ＰＷＭパワーコンバータの案を採用することで生じる推力変動が、システムサーボ機能に与える影響を解除・回避するように、新しいシステムを提供する。

上記目的をもとに、本発明の１つの態様は、その各ペアの主巻線の間に配置される副巻線を備える二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システムを提供し、主巻線はボイスコイルモータの主な作業巻線であり、個別の被制御電圧源から電力供給される主巻線スイッチ駆動回路に駆動され、ボイスコイルモータ駆動システムの動作中に必要な出力電磁推力を提供し、副巻線は補償巻線であり、個別の被制御電圧源から電力供給される副巻線スイッチ駆動回路に駆動され、主巻線と反対する推力変動を提供し、主巻線の推力変動に対して補償を行うことで、ボイスコイルモータの主巻線と副巻線の出力推力の合力を一定に保持し、
うち、主巻線及び副巻線の被制御電源電圧Ｕ_ｄｃ１、Ｕ_ｄｃ２は、以下の式を満たし、
うち、副巻線の各パラメータは以下の関係を満たし、
式において、Ｕ_ｄｃ１は主巻線駆動回路電源電圧値、
Ｕ_ｄｃ２は副巻線駆動回路電源電圧値、
Ｒ_１は主巻線の巻線抵抗値、
Ｒ_２は副巻線の巻線抵抗値、
Ｌ_１は主巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｌ_２は副巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｍは主巻線及び副巻線の巻線相互インダクタンス値、
Ｋ_ｆ１は主巻線推力係数、
Ｋ_ｆ２は副巻線推力係数である。

また、システムが推力変動をよりよく弱めるとともにより大きい平均推力を保留できるために、副巻線抵抗Ｒ２の大きさが調整できるように配置することが好ましい。

Ｒ２の抵抗値の調整可能を実現することでシステムの異なる作業モードにおける切り替えが実現できるため、異なる応用環境に適用できる。

さらに、副巻線抵抗Ｒ２の値は、主巻線の抵抗値Ｒ１に比例するように配置される。

また、副巻線抵抗値Ｒ２と主巻線の抵抗値Ｒ１のレートは、副巻線インダクタンス値と主巻線インダクタンス値のレートに比例し、且つ比例定数は１より大きくしてもよい。

主巻線、副巻線の駆動回路はHフルブリッジ駆動回路であることが好ましい。

本発明は、ボイスコイルモータサーボシステム主巻線及び副巻線が生じる合成出力推力を一定に保持し、ボイスコイルモータの高精度サーボ制御をより低いスイッチング周波数で実現でき、システム制御の柔軟性を向上させ、制御システムは多種類の複雑の知能化制御の案が採用でき、システムの制御性能を有効的に向上させ、且つ駆動制御システムの安定性を向上させ、駆動コントローラのコストを大きく下降させた。

一対の極の二重巻線型ボイスコイルモータを例として、本発明の一実施様態の二重巻線型ボイスコイルモータの構成を示す図。主巻線及び副巻線の内外レイヤー構造式の巻付を示す透視図である。主巻線及び副巻線の内外レイヤー構造式の巻付を示す切断図である。主巻線及び副巻線の上下レイヤー構造式の巻付を示す透視図である。主巻線及び副巻線の上下レイヤー構造式の巻付を示す切断図である。（Ａ）は主巻線及び副巻線の充填式の巻付を示す概略図、（Ｂ）は図３Ａの拡大図、（Ｃ）は図３Ａの端面視図である。（Ａ）は多極の二重巻線型ボイスコイルモータ構成を示す概略図、（Ｂ）は多極の二重巻線型ボイスコイルモータ構成を示す概略図である。（Ａ）は主巻線及び副巻線の上下レイヤー構造の巻付方式と磁石鋼及び永久磁石の配置関係を示す図、（Ｂ）は主巻線及び副巻線の内外レイヤー構造式の巻付方式と磁石鋼、永久磁石の配置関係を示す図である。主巻線出力推力と副巻線の出力推力のマッチング関係図である。第１の実施例における二重巻線型推力補償システム駆動制御の原理図である。は第１の実施例における二重巻線型推力補償システムの推力のシミュレーション波形を示し、（Ａ）はシステムの出力推力のシミュレーション全体結果図、（Ｂ）は０.００１〜０.００３ｓにシステムの出力推力のシミュレーション結果の部分拡大図、（Ｃ）は０.０３８ｓ〜０.０４ｓにシステムの出力推力のシミュレーション結果の部分拡大図である。（Ａ）は第１の実施例における主巻線和副巻線の出力推力の部分拡大図、（Ｂ）は第１の実施例における主巻線及び副巻線の出力推力の合力シミュレーション図である。主巻線及び副巻線の出力推力の概略図である。は第２の実施例における主巻線及び副巻線の推力シミュレーション波形図、（Ａ）はシステム出力推力シミュレーションの全体結果図、（Ｂ）は０〜０.００１ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図、（Ｃ）は０.０１５ｓ〜０.０１６ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図である。（Ａ）は主巻線及び副巻線の推力のシミュレーション波形の部分拡大図、（Ｂ）は巻線の出力推力の合力の推力シミュレーション波形の部分拡大図である。従来のＰＷＭパワーコンバータの案によるボイスコイルモータ制御システムの構成を示す図である。（Ａ）は１０ｋＨｚでの当初ボイスコイルモータサーボ駆動システムの出力推力シミュレーションの全体結果図、（Ｂ）は０〜０.００１ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図、（Ｃ）は０.０３ｓ〜０.０３１ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図である。（Ａ）は２００ｋＨｚでの当初ボイスコイルモータサーボ駆動システムの出力推力シミュレーションの全体結果図、（Ｂ）は０-０.０００２ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図、（Ｃ）はシステム在０.００８ｓ〜０.００８２ｓにシステムの出力推力シミュレーション結果の部分拡大図である。

上述したように、従来の超高精度サーボ制御分野において、ボイスコイルモータサーボ駆動制御システムにＰＷＭパワーコンバータの案を採用する時に生ずる推力変動がシステムのサーボ性能に与える影響を克服するため、本発明は、新しいボイスコイルモータ構成及び対応するサーボ駆動制御システム駆動制御を提供し、ボイスコイルモータサーボシステムの推力変動を大きく弱める可能であるとともに、システムがボイスコイルモータサーボ駆動制御システムに対する超高精度制御をより低いスイッチング周波数で実現でき、システムの安定性を向上させ、システムの損失を減少させ、且つ駆動コントローラのコストを大きく下降させる。

本発明が当該技術課題を解決するための技術案は、ボイスコイルモータ主巻線の他の端部において、補償補助副巻線を設計し、副巻線によって主巻線と完全に反対する推力変動を生じ、副巻線を応用してボイスコイルモータの主巻線と副巻線とに生じる推力変動を互いに相殺させることである。ＰＷＭパワーコンバータの案では、ボイスコイルモータサーボシステムの主巻線及び副巻線が生じる合成出力推力を一定に保持し、より低いスイッチ
ング周波数でボイスコイルモータの高精度サーボ控制を実現することができ、システム制御の柔軟性を向上させ、制御システムは多種類の複雑の知能化制御の案が採用でき、システムの制御機能を有効的に向上させ、且つ駆動制御システムの安定性を向上させ、駆動制御器のコストを下降させた。

図１は、一対の極の二重巻線型ボイスコイルモータを例として、本発明の一実施様態の二重巻線型ボイスコイルモータの構成を示す図である。普通のモータ巻線では、主巻線１００において他の巻線、即ち、副巻線２００を追加し、モータ副巻線２００が生じる推力変化は、主巻線１００の推力変動と幅が同一で方向が反対であることを実現し、さらにモータの推力変動を抑制してシステムにより高い位置決め精度を有させる。

主巻線及び副巻線の１００、２００の配置及び設計は、駆動制御システムに必要となる各巻線の電気的時定数及びモータのエアギャップの配置に関係する。

巻線１００、２００の巻付は、レイヤー構造式と充填式とに分けられる。例えば、図２（Ａ）〜（Ｄ）はレイヤー構造式の２種類の構造を示し、図２（Ａ）〜（Ｂ）は主巻線及び副巻線の内外レイヤー構造式の巻付を示す概略図、図２（Ｃ）〜（Ｄ）は主巻線及び副巻線の上下レイヤー構造式の巻付を示す概略図である。

図２（Ａ）〜（Ｂ）を参照すると、副巻線２００は２層の主巻線１００の間に囲まれ、内側の主巻線で巻線支柱３００の外層が囲まれている。

図２（Ｃ）〜（Ｄ）を参照すると、副巻線２００は上下２層の主巻線１００の間に挟まれ、巻線支柱３００は上から下まで上層の主巻線、副巻線及び下層の主巻線を通している。

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、充填式の主巻線及び副巻線の巻付方式である。特別の設計の需要によって、副巻線２００のマグネトワイヤの直径がより小さいため、副巻線２００のマグネトワイヤを主巻線１００の隙間に充填することも考えられる。

図４（Ａ）〜（Ｂ）は、多極の二重巻線型ボイスコイルモータ構成を示す概略図である。モータ一次巻線（１００、２００、３００）は、エポキシ接着剤によって一次支持板４００内に密封され、一次支持板は一次支持台５００に支持される。二次磁石鋼６００はヨーク板７１０を介して二次支持機構７００によって接続される。上述した構造は、モータの完全の構造形式を構成する。

図５（Ａ）〜（Ｂ）は、異なる形式のレイヤー構造で巻付けて得た内外層及び上下層の巻線と磁石鋼及び永久磁石位置配置関係を示す。

本発明は、ボイスコイルモータに副巻線２００を追加した後、通電して主巻線１００と反対する推力変動を生じさせることで、主巻線推力変動に対する補償を実現した。副巻線２００が主巻線１００に対する推力変動の波長原理は図６の通りである。

以下、第１の二重巻線型ボイスコイルモータ駆動回路の実現実施例について詳しく説明する。

図７を参照すると、本発明の第１の実施例が採用する二重巻線型ボイスコイルモータ駆動回路では、主巻線１００及び副巻線２００の主巻線駆動回路８００及び副巻線駆動回路９００は、いずれも従来のＨフルブリッジ駆動回路を使用している。２つの駆動回路８００、９００は完全に同様の半導体パワーデバイスを使用するとともに、半導体パワーデバ
イスにおける駆動信号も同様であり、主巻線及び副巻線の駆動回路が同期的にオンオフを行い、主巻線の出力推力と副巻線の出力推力とが同期に上昇や下降を行うことを保証する。

主巻線の出力推力と副巻線の出力推力とが同期に上昇や下降を行うことを保証する上で、副巻線が主巻線推力変動に対する完全の補償を実現するため、副巻線が如何なる時刻でも主巻線と大きさが同一で方向が反対である推力変動を生じられる。主巻線の出力推力が主巻線電流に正比例するので、スケール係数は主巻線推力係数Ｋｆ１であり、副巻線の出力推力が副巻線電流に正比例するので、スケール係数は主巻線推力係数Ｋｆ２である。副巻線の推力変動が任意の時刻においても主巻線の推力変動を補償可能にさせるため、主巻線の電流変動を有効的に補償するように副巻線の電流変動を調整してよい。主巻線及び副巻線の異なる状態における微分方程式を分析すると、ボイスコイルモータの主巻線及び副巻線の巻線インダクタンス値Ｌ_１，Ｌ_２が固定値である場合、主巻線駆動回路８００及び副巻線駆動回路９００における直流電圧源の電圧値Ｕ_ｄｃ１及びＵ_ｄｃ２は、主に巻線が駆動回路がオン／オフする段階における巻線電流変動のピークピーク値を影響し、巻線抵抗Ｒ_１，Ｒ_２は、主に巻線が駆動回路がオン／オフする段階における巻線電流の変化動向を影響する結果が得られる。

よって、副巻線２００が任意の時刻においても主巻線１００の推力変動を補償可能にさせるため、主巻線１００及び副巻線２００の微分方程式に対して解を求めることによって、副巻線２００の巻線抵抗Ｒ_２及び副巻線駆動回路における直流電圧源の電圧Ｕ_ｄｃ２は、以下の条件を満たすことが得られる。
式１.１
式１.２
式において、Ｕ_ｄｃ１は主巻線駆動回路の電源電圧値、
Ｕ_ｄｃ２は副巻線駆動回路電源電圧値、
Ｒ_１は主巻線の巻線の抵抗値、
Ｒ_２は副巻線の巻線の抵抗値、
Ｌ_１は主巻線の巻線の自己インダクタンス値、
Ｌ_２は副巻線の巻線の自己インダクタンス値、
Ｍは主巻線及び副巻線の巻線の相互インダクタンス値、
Ｋ_ｆ１は主巻線の推力係数、
Ｋ_ｆ２は副巻線の推力係数である。

式（１.１）及び式（１.２）に基づいて副巻線及びその駆動回路を設計してよく、二重巻線型推力補償システムを出力推力における推力変動を解消することを実現させ、主巻線
及び副巻線の出力推力合力を一定的に保持させる目標を実現し、システムのサーボ作業機能を向上させる。

実施例１の二重巻線型推力補償システムを採用する場合、システム駆動回路が、従来のサーボシステムが採用する１０ｋＨｚのスイッチング周波数を採用すると、システムの推力シミュレーション波形は、図８（Ａ）〜（Ｃ）の通りである。

シミュレーション波形から見ると、副巻線によって主巻線推力変動に対して補償を行うことは、ボイスコイルモータサーボ駆動システムの出力推力変動を極めて弱め、主巻線及び副巻線の出力推力合力の一定を保証した。部分拡大図９（Ａ）及び（Ｂ）から、主巻線出力推力の変動範囲は８. ２５９９Ｎ〜５.４２３９Ｎ、出力推力変動のピークピーク値は２.８３６Ｎであるとわかる。主巻線和副巻線の出力推力合力の変動範囲は０.９４４３Ｎ〜０.９３７１Ｎ、出力推力変動のピークピーク値は０.００７２Ｎである。実施例１が採用する副巻線は、主巻線の推力変動を有効的に補償したとわかり、二重巻線型システムを採用した後、主巻線及び副巻線の出力推力合力変動は、主巻線推力変動の０.２５％であり、低いスイッチング周波数（１０ｋＨｚ）でボイスコイルモータ出力推力変動を有効的に減少することを実現し、ボイスコイルモータサーボシステムの制御機能及び作業精度を向上させた。高いスイッチング周波数での従来のボイスコイルモータ駆動と比べて、実施例１は、システムの損失及び制御の難易度を下降させたとともに、システムの駆動制御機能を向上させ、且つシステムの安定性及び信頼性を向上させ、システムのコストを下降させた。

しかし、本実施例には不足がある。図９（Ａ）〜（Ｂ）から見ると、１つのスイッチングサイクルにおける主巻線の平均出力推力(以下、「平均推力」と称する)６.８４１９Ｎと比べて、本実施例の二重巻線型推力補償を採用した後ボイスコイルモータの出力推力は０.９４０７Ｎのみ残っている。よって、本実施例における副巻線は、主巻線推力変動を補償するとともに、主巻線の平均推力をある程度弱めた。

よって、ボイスコイルモータサーボシステムを超高精度サーボ分野に応用する場合、モータ出力推力変動に対してより厳しい要求があるため、ボイスコイルモータサーボシステムが最小の推力変動を得るように、実施例１に述べた駆動機械パラメータ設計式（１.１）及び（１.２）に従って駆動機械パラメータを精確に設計しなければならなく、設計作業量がより大きくなる可能性がる。

上述した実施例の案に対する改良として、本発明の第２の実施例を説明する。

ボイスコイルモータサーボシステの応用分野及び場合がボイスコイルモータ出力推力変動に対する要求は特に厳しくない時、第１の実施例におけるモータ副巻線パラメータの設計に対して一定的な変化を行い、副巻線が主巻線推力変動に対する補償効果を弱めることを実現したとともに、副巻線が主巻線の平均推力に対する弱めを減少し、ボイスコイルモータ主巻線及び副巻線の出力推力合力は、推力変動及と平均推力との間において、推力変動をよりよく減少してより大きい平均推力を保留する新しいバランスポイントを獲得する。

前文の分析から、二重巻線型モータシステムにおいて、巻線推力変動が巻線電流変動に正比例し、巻線平均出力推力が巻線平均電流と正比例になることがわかる。第１の実施例が示す二重巻線型推力補償システムでは、巻線駆動回路８００、９００における直流電圧源の電圧値Ｕｄｃ１，Ｕｄｃ２は、主に巻線が駆動回路のオン／オフ段階における巻線電流変動のピークピーク値を影響し、巻線抵抗Ｒ１，Ｒ２は、主に巻線が駆動回路のオン／オフ段階における巻線電流の変化動向を影響する。よって、副巻線２００の巻線抵抗Ｒ２
及び駆動回路電圧が式（１.１）及び式（１.２）に従って設計される場合、副巻線は、任意の時刻で主巻線推力変動を完璧に補償することができる。

しかし、その結果、副巻線が主巻線推力変動を大幅に弱めたとともに、主巻線平均推力をも大幅に弱めた。副巻線が主巻線平均推力に対する減少程度は、主に副巻線抵抗Ｒ２及び副巻線駆動回路電圧Ｕｄｃ２の影響を受ける。

よって、ボイスコイルモータサーボシステの応用分野及び場合がボイスコイルモータ出力推力変動に対する要求は特に厳しくない時の応用について、本実施例では妥協の方式を採用して第１の実施例を改良し、即ち、副巻線駆動回路電圧Ｕｄｃ２を変わらないように保持する条件で、副巻線抵抗Ｒ２の大きさを調整し、システムが推力変動をよりよく弱めるとともにより大きい平均推力を保留することができる。

その場合、主巻線及び副巻線の出力推力の概略図は図１０の通りである。

図１０を参照すると、副巻線駆動回路の電源Ｕｄｃ２が変わらなく保持するため、副巻線が主巻線推力変動のピークとトラフにおいても主巻線推力変動を完全に補償できる。その他の時刻で、図１０と図６を比べ、副巻線２００抵抗Ｒ２を変えたことによって、副巻線２００推力変動の変化動向が変わり、いつでも主巻線推力変動と大きさが同じくて方向が反対するようではないので、主巻線推力変動への補償能力も減少したとわかった。その同時に、図１０から見ると、副巻線が主巻線平均推力に対する削減も下降し、妥協のバランスがとれ、システムは、推力変動をよりよく減少させるとともにより大きい平均推力を保留した。

第１の実施例における二重巻線型システムの状態方程式を分析して解を求めると、副巻線駆動回路電源Ｕ_ｄｃ２が式（１.１）を満たす場合、副巻線抵抗Ｒ_２は式（１.３）が示す通りに形式を調整することを得、
式１.３
式において、Ａ>１である

その時、ボイスコイルモータ駆動システムの出力推力変動に対する要求が極めて厳しいものではない場合、システムはモータ推力変動とモータ平均推力との間においてより適当の平均の解を得られ、推力変動を減少するとともに平均推力を保留する。

シミュレーション実験で理論解析の正確性及び合理性を検証する。同一のボイスコイルモータに対し、本実施例を採用して、Ａ=９の場合、システム推力のシミュレーション波形は図１１（Ａ）〜（Ｃ）の通りである。

図１１（Ａ）〜（Ｃ）から見ると、副巻線２００の抵抗Ｒ２を調整した後、システム全体の平均推力は明らかに向上したとわかる。部分拡大図１２（Ａ）〜（Ｂ）から見ると、主巻線の推力変動範囲は８.３２５３Ｎ〜５.４０９１Ｎ、主巻線平均出力推力は６.８６７２Ｎ、推力波動値は２.９１６２Ｎであり、それに対して、主巻線と副巻線推力との合力の変動範囲は６.８０２５Ｎ〜６.０８４２Ｎ、巻線出力推力合力の平均値は６.４４３４Ｎ、合推力の波動値は０.７１８３Ｎ、推力波動が７５.３７％に減少し、巻線平均出力推力の合力は主巻線平均出力推力の９３.８３％であり、二重巻線型推力補償システム設
計の性能に達し、前文の方案の理論解析の正確性及び合理性を検証した。

よって、副巻線２００抵抗Ｒ２を調整した後、二重巻線型推力補償システムの推力変動の補償効果が下降したが、二重巻線型推力補償システムの平均出力推力は明らかに向上され、第１の実施例の平均出力推力の６.８５倍に達せ、推力変動に対する要求が特に厳しいものではないサーボ応用分野における需要に適用できる。

上述した内容は、本発明のより好ましい実用例のみであり、本発明の実施範囲を限定するためのものではない。本発明の範囲内の内容によって行う同等の変化及び修正は、すべて本発明の技術範囲内に属す。

前文において第１の実施例に対する分析を見て、第１の実施例を採用すると、ボイスコイルモータ推力変動に対して正確な補償を行うとともにモータの平均出力推力を著しく減少するとわかる。ボイスコイルモータサーボシステムが推力変動に対する要求がそれほど厳しいものではない場合、第２の実施例を採用する可能で、副巻線抵抗を調整することでシステム平均出力推力を向上させるが、副巻線推力変動補償効果が下降してサーボシステム推力変動が増大する結果をもたらす。

Claims

主巻線と、各ペアの前記主巻線の間に配置される副巻線とを有するボイスコイルモータを駆動するための二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システムであって、
第１の被制御電圧源によって電力供給してボイスコイルモータのメイン作業巻線である主巻線を駆動し、ボイスコイルモータ駆動システム作業中に必要の出力電磁推力を提供する主巻線スイッチ駆動回路と、
第２の被制御電圧源によって電力供給して補償巻線である副巻線を駆動し、主巻線と反対する推力変動を提供して主巻線の推力変動を補償し、ボイスコイルモータ主巻線及び副巻線の出力推力の合力を一定に保持させる副巻線スイッチ駆動回路と、を含み、
うち、主巻線及び副巻線の第１、第２の被制御電圧源の電圧Ｕ_ｄｃ１、Ｕ_ｄｃ２は、
を満たすように配置され、
主巻線及び副巻線の各パラメータは、以下の関係を満たし、
式において、Ｕ_ｄｃ１は主巻線駆動回路電源電圧値、
Ｕ_ｄｃ２は副巻線駆動回路電源電圧値、
Ｒ_１は主巻線の巻線抵抗値、
Ｒ_２は副巻線の巻線抵抗値、
Ｌ_１は主巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｌ_２は副巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｍは主巻線及び副巻線の巻線相互インダクタンス値、
Ｋ_ｆ１は主巻線推力係数、
Ｋ_ｆ２は副巻線推力係数であることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム。
請求項１において、副巻線抵抗Ｒ２の大きさは、システムが推力変動をより良く減少させるとともにより大きい平均推力を保留する可能のように調整することができることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム。
請求項２において、副巻線抵抗Ｒ２の値は、主巻線の抵抗値Ｒ１に比例するように配置されることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム。
請求項２において、副巻線抵抗値Ｒ２と主巻線の抵抗値Ｒ１の比例は、副巻線インダクタンス値と主巻線インダクタンス値の比例に比例するように配置され、且つ比例因子は１より大きいことを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム。
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、主巻線、副巻線の駆動回路は、いずれもＨフル
ブリッジ駆動回路であることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータ推力補償システム。
主巻線と、磁石鋼と、永久磁石とを備え、ボイスコイルモータの各ペアの主巻線の間に配置される副巻線をさらに備えるボイスコイルモータを含む二重巻線型ボイスコイルモータモジュールであって、
主巻線はボイスコイルモータのメイン作業巻線であり、個別の被制御電圧源によって電力供給される主巻線スイッチ駆動回路によって駆動され、ボイスコイルモータ駆動システム作業中に必要の出力電磁推力を提供し、
副巻線は補償巻線であり、個別の被制御電圧源によって電力供給される副巻線スイッチ駆動回路によって駆動され、主巻線と反対する推力変動を提供して主巻線の推力変動を補償し、ボイスコイルモータ主巻線及び副巻線の出力推力の合力を一定に保持させ、
うち、主巻線及び副巻線の第１、第２の被制御電圧源の電圧Ｕ_ｄｃ１、Ｕ_ｄｃ２は、
を満たすように配置され、
副巻線の各パラメータは、以下の関係を満たし、
式において、Ｕ_ｄｃ１は主巻線駆動回路電源電圧値、
Ｕ_ｄｃ２は副巻線駆動回路電源電圧値、
Ｒ_１は主巻線の巻線抵抗値、
Ｒ_２は副巻線の巻線抵抗値、
Ｌ_１は主巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｌ_２は副巻線の巻線自己インダクタンス値、
Ｍは主巻線及び副巻線の巻線相互インダクタンス値、
Ｋ_ｆ１は主巻線推力係数、
Ｋ_ｆ２は副巻線推力係数であることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータモジュール。
請求項６において、当該ボイスコイルモータの主巻線、副巻線の巻付の形式は、レイヤー構造式と充填式に分けられることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータモジュール。
請求項７において、副巻線は、２層の主巻線の間に囲まれ、巻線支柱の外層は、内側の主巻線に囲まれることを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータモジュール。
請求項７において、副巻線は、上下２層の主巻線の間に挟まれ、巻線支柱は、上から下まで上層の主巻線、副巻線及び下層の主巻線を通すことを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータモジュール。
請求項６において、モータの、主巻線、副巻線及び支柱からなる一次巻線は、エポキシ接着剤によって一次支持板内に密封され、一次支持板は、一次支持台によって支持され、二次磁石鋼は、二次支持機構によってヨーク板を介して接続することを特徴とする二重巻線型ボイスコイルモータモジュール。