一种基于BUCK拓扑结构的线性负反馈音圈电机驱动控制方法研究

孙 凯 李 坤 傅旭东 吴力涛

（兵器214研究所，江苏苏州215000）

0 引言

音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机，具有体积小、结构简单、高速、高加速、响应快等特性，因而被广泛应用于车载、机载等各类武器系统中。其工作原理是，通电线圈（导体）放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流（电压）成比例，可通过控制施加在线圈上的电流（电压）控制电机的推力[1]。音圈电机可广泛应用于各类伺服驱动控制系统之中[2]。

本文对音圈电机的驱动控制技术进行了分析，设计了一种以BUCK开关芯片为核心，基于BUCK拓扑结构的线性负反馈音圈电机驱动控制方法，实现了对电机推力的精确控制，并通过系统仿真和实验验证了其可靠性。

1 BUCK拓扑结构分析

1.1 驱动方式分析

音圈电机常见的驱动方式主要有线性驱动和PWM（脉冲宽度调制）驱动两种[3]。线性驱动方式指直接通过线性功率放大器件对电机进行驱动控制，控制关系简单，输出电压连续且稳定，但功耗大，效率低，控制效果不佳。PWM驱动方式功耗小，效率高，但存在抖动问题，甚至会影响系统的动态性能。

1.2 电源拓扑结构分析

开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分。主回路指开关电源中功率电流经过的通路，一般包含了开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件。控制回路一般采用PWM驱动方式[4]，通过输出信号和基准的比较来控制主回路中的开关器件。

主回路根据结构特点，可以分为隔离式和非隔离式两大类。非隔离式主回路的输入端和输出端电气相通，根据主回路的结构特点，其具体又可以分为串联结构、并联结构和极性反转结构。隔离式主回路的输入端和输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量，实现完全电气隔离，根据电路结构，其主要分为正激式和反激式两种。

根据类别的不同，常见控制方式的拓扑结构有很多种，包括BUCK型拓扑[5]、BOOST型拓扑、BUCK-BOOST型拓扑等。考虑到音圈电机的控制需要满足稳定、可靠、连续、输出电压范围广、输出电流连续等要求，选用BUCK型拓扑可较好地满足控制系统的需求[6]。

2 线性负反馈驱动控制技术分析

BUCK拓扑结构将已知的直流输入电压VIN转换成所需要的直流输出电压VO。其主要由输入电源、控制电路、开关管、储能电感、输出电容及负载电阻构成[6]。转换器通过产生一定频率、占空比的方波控制开关管的开启与关断，最后通过输出电感和电容进行功率滤波，得到所需要的直流电压。因此，可以根据反馈通路来检测输出电压和电流的状态，并据此精确调节输出[7]。基本拓扑结构如图1所示。

图1 基本拓扑结构

采用BUCK拓扑结构，引入输出负反馈控制，实现线性负反馈驱动控制系统的设计[8]，控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构

采用PWM调制方式，电路工作频率即开关周期T保持恒定不变，改变的是功率管的开启和关断时间，以达到稳定输出电压的目的，其基本原理如图3所示。输出电压经过误差放大器后送入比较器，与一个时钟产生的三角波或锯齿波电压进行比较，最后输出PWM控制信号，信号波形如图3所示。当输出电压发生变化时，PWM调制信号的占空比也随之变化，这样便实现了脉冲宽度调制。

图3 PWM控制原理及波形图

控制系统只有一个反馈环路，输出级相当于一个LC滤波网络，是一个二阶系统。当输出电压变化时，系统采样到电压的变化后，反馈环路开始响应，误差放大器的输出电压越大，控制方波的占空比就越大，开关开启时间就越长，输送到电感的能量就越多。此系统电路分析设计比较简单[9]，具有成本低、体积小的特点，还具备占空比调节范围广、噪声性能好、负载调整率优良和易于在多路输出中实现交叉调节等优点。

3 控制系统设计及实验验证

为满足输出电压和电流能稳定可靠驱动的需求，本文设计了一种基于BUCK拓扑结构的以DC/DC变换器为原型的负反馈线性驱动控制系统[10-11]。

系统的电路主要由BUCK功率变换器、运算放大器、基准源、二极管、功率电感、电阻、电容等构成，电路原理如图4所示。

图4 控制系统电路原理图

根据BUCK电源的工作原理，通过检测反馈电压与内部基准电压的误差，调节功率输出的PWM占空比，使输出电压达到要求。

电路的工作原理如下：

输入控制电压V1至运算放大器N1，通过电阻R2和R1构成同相比例放大电路，放大后输出电压V2计算公式如下：

由运算放大器N2、基准源以及辅助电阻组成BUCK电源的反馈电压产生电路。运算放大器N1输出电压V2通过电阻R3进入运算放大器N2负输入端，同时，基准源V3输出电压V3通过电阻R7、电源芯片输出电压VOUT，通过电阻R4进入运算放大器N2正输入端。三路输入信号通过运算放大器构成加减运算电路，其中反馈电阻为R6。因此，运算放大器N2B输出电压VF可以通过下式计算得出：

选取R6=R7=R4=R3，则运算放大器N4B输出电压为：

对公式（3）进行变换，得出输出电压计算公式：

式中：V3为基准源电压，选取基准电压与BUCK芯片内部基准源电压大小相等的基准源，则有：

利用上述原理实现了音圈电机的线性负反馈驱动控制，并以此为基础设计最小系统，选用自带12位数模转换器的MCU输出控制信号，用0～4 095（0%～100%）作为输入控制量，负载选用音圈电机（8.2 Ω）进行驱动系统控制验证，得到的实验数据如表1所示。

表1 实验数据表

通过仿真拟合出驱动电压与控制量关系，如图5所示。

从关系曲线可知，输出驱动电压基本和控制量呈线性关系，实现了系统对音圈电机的驱动控制。

4 结语

本文从工程需要出发，对音圈电机的驱动控制技术进行了原理分析，并提出了一种线性负反馈驱动控制方法，通过实验和仿真验证了其可靠性，为此类电机的控制策略设计提供了一种新的思路，同时也为后续的相关研究和实际应用打下了良好的基础。