一種基于BUCK拓撲結構的線性負反饋音圈電機驅動控制方法研究

孫 凱 李 坤 傅旭東 吳力濤

（兵器214研究所，江蘇蘇州215000）

0 引言

音圈電機是一種特殊形式的直接驅動電機，具有體積小、結構簡單、高速、高加速、響應快等特性，因而被廣泛應用于車載、機載等各類武器系統中。其工作原理是，通電線圈（導體）放在磁場內就會產生力，力的大小與施加在線圈上的電流（電壓）成比例，可通過控制施加在線圈上的電流（電壓）控制電機的推力[1]。音圈電機可廣泛應用于各類伺服驅動控制系統之中[2]。

本文對音圈電機的驅動控制技術進行了分析，設計了一種以BUCK開關芯片為核心，基于BUCK拓撲結構的線性負反饋音圈電機驅動控制方法，實現了對電機推力的精確控制，并通過系統仿真和實驗驗證了其可靠性。

1 BUCK拓撲結構分析

1.1 驅動方式分析

音圈電機常見的驅動方式主要有線性驅動和PWM（脈沖寬度調制）驅動兩種[3]。線性驅動方式指直接通過線性功率放大器件對電機進行驅動控制，控制關系簡單，輸出電壓連續且穩定，但功耗大，效率低，控制效果不佳。PWM驅動方式功耗小，效率高，但存在抖動問題，甚至會影響系統的動態性能。

1.2 電源拓撲結構分析

開關電源主要包括主回路和控制回路兩大部分。主回路指開關電源中功率電流經過的通路，一般包含了開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件。控制回路一般采用PWM驅動方式[4]，通過輸出信號和基準的比較來控制主回路中的開關器件。

主回路根據結構特點，可以分為隔離式和非隔離式兩大類。非隔離式主回路的輸入端和輸出端電氣相通，根據主回路的結構特點，其具體又可以分為串聯結構、并聯結構和極性反轉結構。隔離式主回路的輸入端和輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁耦合方式傳遞能量，實現完全電氣隔離，根據電路結構，其主要分為正激式和反激式兩種。

根據類別的不同，常見控制方式的拓撲結構有很多種，包括BUCK型拓撲[5]、BOOST型拓撲、BUCK-BOOST型拓撲等。考慮到音圈電機的控制需要滿足穩定、可靠、連續、輸出電壓范圍廣、輸出電流連續等要求，選用BUCK型拓撲可較好地滿足控制系統的需求[6]。

2 線性負反饋驅動控制技術分析

BUCK拓撲結構將已知的直流輸入電壓VIN轉換成所需要的直流輸出電壓VO。其主要由輸入電源、控制電路、開關管、儲能電感、輸出電容及負載電阻構成[6]。轉換器通過產生一定頻率、占空比的方波控制開關管的開啟與關斷，最后通過輸出電感和電容進行功率濾波，得到所需要的直流電壓。因此，可以根據反饋通路來檢測輸出電壓和電流的狀態，并據此精確調節輸出[7]。基本拓撲結構如圖1所示。

圖1 基本拓撲結構

采用BUCK拓撲結構，引入輸出負反饋控制，實現線性負反饋驅動控制系統的設計[8]，控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

采用PWM調制方式，電路工作頻率即開關周期T保持恒定不變，改變的是功率管的開啟和關斷時間，以達到穩定輸出電壓的目的，其基本原理如圖3所示。輸出電壓經過誤差放大器后送入比較器，與一個時鐘產生的三角波或鋸齒波電壓進行比較，最后輸出PWM控制信號，信號波形如圖3所示。當輸出電壓發生變化時，PWM調制信號的占空比也隨之變化，這樣便實現了脈沖寬度調制。

圖3 PWM控制原理及波形圖

控制系統只有一個反饋環路，輸出級相當于一個LC濾波網絡，是一個二階系統。當輸出電壓變化時，系統采樣到電壓的變化后，反饋環路開始響應，誤差放大器的輸出電壓越大，控制方波的占空比就越大，開關開啟時間就越長，輸送到電感的能量就越多。此系統電路分析設計比較簡單[9]，具有成本低、體積小的特點，還具備占空比調節范圍廣、噪聲性能好、負載調整率優良和易于在多路輸出中實現交叉調節等優點。

3 控制系統設計及實驗驗證

為滿足輸出電壓和電流能穩定可靠驅動的需求，本文設計了一種基于BUCK拓撲結構的以DC/DC變換器為原型的負反饋線性驅動控制系統[10-11]。

系統的電路主要由BUCK功率變換器、運算放大器、基準源、二極管、功率電感、電阻、電容等構成，電路原理如圖4所示。

圖4 控制系統電路原理圖

根據BUCK電源的工作原理，通過檢測反饋電壓與內部基準電壓的誤差，調節功率輸出的PWM占空比，使輸出電壓達到要求。

電路的工作原理如下：

輸入控制電壓V1至運算放大器N1，通過電阻R2和R1構成同相比例放大電路，放大后輸出電壓V2計算公式如下：

由運算放大器N2、基準源以及輔助電阻組成BUCK電源的反饋電壓產生電路。運算放大器N1輸出電壓V2通過電阻R3進入運算放大器N2負輸入端，同時，基準源V3輸出電壓V3通過電阻R7、電源芯片輸出電壓VOUT，通過電阻R4進入運算放大器N2正輸入端。三路輸入信號通過運算放大器構成加減運算電路，其中反饋電阻為R6。因此，運算放大器N2B輸出電壓VF可以通過下式計算得出：

選取R6=R7=R4=R3，則運算放大器N4B輸出電壓為：

對公式（3）進行變換，得出輸出電壓計算公式：

式中：V3為基準源電壓，選取基準電壓與BUCK芯片內部基準源電壓大小相等的基準源，則有：

利用上述原理實現了音圈電機的線性負反饋驅動控制，并以此為基礎設計最小系統，選用自帶12位數模轉換器的MCU輸出控制信號，用0～4 095（0%～100%）作為輸入控制量，負載選用音圈電機（8.2 Ω）進行驅動系統控制驗證，得到的實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據表

通過仿真擬合出驅動電壓與控制量關系，如圖5所示。

從關系曲線可知，輸出驅動電壓基本和控制量呈線性關系，實現了系統對音圈電機的驅動控制。

4 結語

本文從工程需要出發，對音圈電機的驅動控制技術進行了原理分析，并提出了一種線性負反饋驅動控制方法，通過實驗和仿真驗證了其可靠性，為此類電機的控制策略設計提供了一種新的思路，同時也為后續的相關研究和實際應用打下了良好的基礎。