摘

要：從工程應用的角度出發，以現代武器系統上常用的音圈電機為研究對象，通過對其特性的分析及常用驅動控制方式的對比，針對其特點提出了一種以BUCK開關芯片為核心，基于BUCK拓撲結構的線性負反饋的驅動控制方法，并設計了電機控制系統，通過系統仿真和實驗驗證了該控制方法的可行性，實現了對音圈電機的線性可調驅動控制。關鍵詞：音圈電機；驅動；BUCK拓撲結構；線性負反饋控制

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，廣泛應用于各類伺服驅動控制系統之中。本文針對此類電機對其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。

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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。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控制方式功耗小、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（脈沖寬度調制）控制方式，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，非隔離式主回路是指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。隔離式主回路是指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、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、輸出電流連續等特點，選用BUCK型拓撲可較好地滿足控制系統的需要。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。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。基本拓撲結構如圖1所示。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，控制系統結構如圖2所示。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。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，系統先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，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。

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，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。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。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：V2＝V1×（1+R2/R1）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：VF＝R6×（V3/R7+VOUT/R4-V2/R3）選取R6＝R7＝R4＝R3，則運算放大器N4B輸出電壓為：VF＝V3+VOUT-V2對公式（3）進行變換，得出輸出電壓計算公式：VOUT＝VF+V2-V3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：VOUT＝V2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0～4095（0%～100%）作為輸入控制量，負載選用音圈電機（8.2Ω）進行驅動系統控制驗證，得到的實驗數據如表1所示。

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