[发明专利]一种基于PWM的音圈电机高速精密光束指向系统控制方法

说明书

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。

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、王大或和郭宏利用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3a、3b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。