一種具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統的製作方法

2024-03-07 06:52:15 1

本實用新型涉及一種具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統。

背景技術：

CTP設備在高速列印過程中，列印鏡頭需要和版材表面保持固定的距離，以保持焦距不變，保證列印質量。而轉鼓本身加工精度，版材和轉鼓的貼合度都會造成版材表面與鏡頭距離發生變化，影響列印質量。因此需要控制承載鏡頭的音圈電機在列印時保持動態調整狀態，使的鏡頭保持與版材表面的距離保持不變。因此需要一種控制音圈電機的驅動電路，能夠驅動音圈電機高頻運動以及具有高精度的定位能力。

中國專利「基於N通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統」(申請號201410719874.2)公開了一種音圈電機的驅動系統，解決現有電機驅動系統適用於高壓領域，且無法實現對快速反射鏡的控制的問題，本發明主要是針對音圈電機工作電壓較低工作頻率高的特點，現今的集成驅動器多專為高工作電壓設計，採用四個N通道MOSFET及相關器件組成H橋電機驅動電路。該發明採用邏輯電路避免出現上電時橋的上下臂導通，採用高速CCD驅動器輸出高頻強驅動信號；根據MOSFET的開通及關閉時間不同的特點，控制器輸出的驅動邏輯信號避免了在動態變化過程中上下臂同時導通；另外對驅動系統上電順序進行了規定。然而，該技術並不能實現音圈的定位功能。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統，能夠滿足列印時驅動音圈電機高頻運動以及具有高精度的定位能力。

為了達到目的，本實用新型提供的技術方案為：

本實用新型涉及的一種具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統，其包括音圈電機，其特徵在於：其還包括霍爾位置採集電路、霍爾電流採集電路、主控制晶片和全橋驅動電路，所述的霍爾位置採集電路和霍爾電流採集電路分別與主控制晶片連接，主控制晶片又與全橋驅動電路連接，全橋驅動電路的兩個輸出端分別連接音圈電機的電源兩極；所述的全橋驅動電路包括兩個半橋驅動晶片U1、U2和四個N溝道MOS管D1、D2、D3、D4，半橋驅動晶片U1、U2的VDD端均與外接電源連接，VSS端均接地，SD端相互連接，半橋驅動晶片U1的HIN端與半橋晶片U2的LIN端連接，半橋驅動晶片U1的LIN端與半橋驅動晶片U2的HIN端連接，半橋驅動晶片U1的HO端和LO端分別與N溝道MOS管D1和N溝道MOS管D3的G極連接，VS端與音圈電機連接，半橋驅動晶片U2的HO端和LO端分別與N溝道MOS管D2和N溝道MOS管D4的G極連接，VS端與霍爾電流採集電路的輸出端連接，N溝道MOS管D1的S極與N溝道MOS管D3的D極連接，N溝道MOS管D2的S極與N溝道MOS管D4的D極連接，N溝道MOS管D1的D極與N溝道MOS管D2的D極相互連接且與外接電源連接，N溝道MOS管D3的S極、N溝道MOS管D4的S極、半橋驅動晶片U1的COM端、半橋驅動晶片U2的COM端相互連接且均接地；所述的霍爾電流採集電路包括霍爾電流傳感器U3和模數轉換晶片U4，模數轉換晶片U4的IN+端連接霍爾電流傳感器U3的VIOUT端，IN-端連接霍爾電流傳感器U3的GND端，霍爾電流傳感器U3的兩個IP+端均連接半橋驅動晶片U2的VS端，兩個IP-端均連接音圈電機；所述的霍爾位置採集電路包括霍爾磁場傳感器U5、模數轉換晶片U6和電壓跟隨器OP，霍爾磁場傳感器U5的VCC端連接外接電源，GND端接地，OUTPUT端連接電壓跟隨器OP的正極輸入端，電壓跟隨器OP的輸出端連接電壓跟隨器OP的負極輸入端、以及模數轉換晶片U6的IN﹣端，模數轉換晶片U6的IN﹣端與電壓跟隨器OP連接並接地。

優選地，所述的全橋驅動電路還包括四個電阻R1、R2、R3、R4，電阻R1兩端分別與半橋驅動晶片U1的HO端和N溝道MOS管D1的G極連接，電阻R2的兩端分別與半橋驅動晶片U2的HO端和N溝道MOS管D2的G極連接，電阻R3的兩端分別與半橋驅動晶片U1的LO端和N溝道MOS管D3的G極連接，電阻R4的兩端分別與半橋驅動晶片U2的LO端和N溝道MOS管D4的G極連接。

優選地，所述的半橋驅動晶片U1的VB端依次連接二極體D5和電容C1，電容C1接地，半橋驅動晶片U1的VCC端連接在二極體D5和電容C1之間，半橋驅動晶片U1的VB端還與VS端連接，VB端和VS端之間還連接電容C2。所述的電容C1是電源的去耦電容，二極體D5和電容C2構成電壓自舉電路，提供上橋臂N溝道MOS管導通所需要的G極電壓。

優選地，所述的半橋驅動晶片U2的VB端依次連接二極體D6和電容C3，電容C3接地，半橋驅動晶片U2的VCC端連接在二極體D6和電容C3之間，半橋驅動晶片U2的VB端還與VS端連接，VB端和VS端之間還連接電容C4。所述的電容C3是電源的去耦電容，二極體D6和電容C4構成電壓自舉電路，提供上橋臂N溝道MOS管導通所需要的G極電壓。

優選地，所述的霍爾電流傳感器U3的FILTER端與GND端相互連接，兩端之間設有電容C5，VCC端連接有磁珠L1，模數轉換晶片U4的REF端與磁珠L1連接，模數轉換晶片U4REF端還連有去耦電容C7，去耦電容C7的另一端接地，模數轉換晶片U4的VDD端、VIO端和SDI端相互連接，且連接有電容C8，霍爾電流傳感器U3的VIOUT端通過由電阻R5和電容C6組成的濾波電路連接到模數轉換晶片U4的IN+端，模數轉換晶片U4的IN﹣端接地。

所述的磁珠L1用於抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰幹擾，還具有吸收靜電脈衝的能力，電容C6和電阻R5構成低通濾波器電路。

優選地，所述電壓跟隨器OP輸出端與模數轉換晶片U6之間還設有電阻R6和去耦電容C9，霍爾磁場傳感器U5的VCC端連接去耦電容C10，電壓跟隨器OP連接有去耦電容C11，模數轉換晶片U6的REF端連接有去耦電容C12，VDD端連接有去耦電容C13和C14。所述的電容C9和電阻R6構成低通濾波電路。

採用本實用新型提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下有益效果：

本實用新型全橋驅動電路可以驅動音圈電機在小於1mm的範圍內高頻雙向運動及定位；高頻電流採樣，並且可以檢測正負方向的電流，通過14位的模數轉換晶片，採樣精度高；傳統的編碼器體積大，成本高，安裝麻煩，通過霍爾磁場傳感器，可以同樣獲得高精度的位置信號，且佔用空間小，成本低，安裝簡單。

附圖說明

圖1是本實用新型具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型全橋驅動電路及霍爾電流採集電路原理圖；

圖3是本實用新型霍爾位置採集電路。

示意圖中的標註說明：1霍爾位置採集電路、2主控制晶片、3霍爾電流採集電路、4全橋驅動電路、5音圈電機。

具體實施方式

為進一步了解本實用新型的內容，結合實施例對本實用新型作詳細描述，以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。

結合附圖1所示，本實用新型涉及的一種具有位置及電流反饋功能的音圈電機驅動系統，其包括音圈電機5、霍爾位置採集電路1、霍爾電流採集電路3、主控制晶片2和全橋驅動電路4，所述的霍爾位置採集電路和霍爾電流採集電路分別與主控制晶片連接，主控制晶片又與全橋驅動電路連接，全橋驅動電路的兩個輸出端分別連接音圈電機的電源兩極。

結合附圖2所示，所述的全橋驅動電路包括兩個半橋驅動晶片U1、U2和四個N溝道MOS管D1、D2、D3、D4，半橋驅動晶片U1、U2的VDD端均與外接電源連接，VSS端均接地，SD端相互連接，半橋驅動晶片U1的HIN端與半橋晶片U2的LIN端連接，半橋驅動晶片U1的LIN端與半橋驅動晶片U2的HIN端連接，半橋驅動晶片U1的HO端和LO端分別與N溝道MOS管D1和N溝道MOS管D3的G極連接，VS端與音圈電機連接，半橋驅動晶片U2的HO端和LO端分別與N溝道MOS管D2和N溝道MOS管D4的G極連接，VS端與霍爾電流採集電路的輸出端連接，N溝道MOS管D1的S極與N溝道MOS管D3的D極連接，N溝道MOS管D2的S極與N溝道MOS管D4的D極連接，N溝道MOS管D1的D極與N溝道MOS管D2的D極相互連接且與外接電源連接，N溝道MOS管D3的S極、N溝道MOS管D4的S極、半橋驅動晶片U1的COM端、半橋驅動晶片U2的COM端相互連接且均接地。全橋驅動電路還包括四個電阻R1、R2、R3、R4，電阻R1兩端分別與半橋驅動晶片U1的HO端和N溝道MOS管D1的G極連接，電阻R2的兩端分別與半橋驅動晶片U2的HO端和N溝道MOS管D2的G極連接，電阻R3的兩端分別與半橋驅動晶片U1的LO端和N溝道MOS管D3的G極連接，電阻R4的兩端分別與半橋驅動晶片U2的LO端和N溝道MOS管D4的G極連接。所述的半橋驅動晶片U1的VB端依次連接二極體D5和電容C1，電容C1接地，半橋驅動晶片U1的VCC端連接在二極體D5和去耦電容C1之間，半橋驅動晶片U1的VB端還與VS端連接，VB端和VS端之間還連接電容C2，二極體D5和電容C2構成電壓自舉電路，提供上臂的M溝道MOS管導通所需的G極電壓。半橋驅動晶片U2的VB端依次連接二極體D6和電容C3，電容C3接地，半橋驅動晶片U2的VCC端連接在二極體D6和電容C3之間，半橋驅動晶片U2的VB端還與VS端連接，VB端和VS端之間還連接電容C4。二極體D6和電容C4構成電壓自舉電路，提供上臂的M溝道MOS管導通所需的G極電壓。

全橋驅動電路連接音圈電機的電源兩端，通過調整PWM的佔空比，可以調整加到音圈電機上的電壓值和電流方向，從而驅動音圈電機進行正反向的運動，並且可以定位在指定的位置上。當PWM佔空比是50％時，電機停止運動。兩路PWM信號電平相反：PWM0為高電平時，PWM1為低電平，PWM0為低電平時，PWM1為高電平，並且PWM0和PWM1之間設有死區，避免全橋驅動電路出現上下橋臂短路狀態時損壞器件。

結合附圖2所示，所述的霍爾電流採集電路包括霍爾電流傳感器U3和模數轉換晶片U4，模數轉換晶片U4的IN+端連接霍爾電流傳感器U3的VIOUT端，IN-端連接霍爾電流傳感器U3的GND端，霍爾電流傳感器U3的兩個IP+端均連接半橋驅動晶片U2的VS端，兩個IP-端均連接音圈電機。所述的霍爾電流傳感器U3的FILTER端與GND端相互連接，兩端之間設有電容C5，VCC端連接有磁珠L1，磁珠L1用於抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰幹擾,還具有吸收靜電脈衝的能力，模數轉換晶片U4的REF端與磁珠L1連接。模數轉換晶片U4REF端還連有去耦電容C7，去耦電容C7的另一端接地，模數轉換晶片U4的VDD端、VIO端和SDI端相互連接，且連接有電容C8，霍爾電流傳感器U3的VIOUT端通過由電阻R5和電容C6組成的濾波電路連接到模數轉換晶片U4的IN+端，模數轉換晶片U4的IN﹣端接地，電容C6和電阻R5構成低通濾波器電路。

霍爾電流傳感器供電5V，可以檢測最大正負5安培的電流。根據185mv/安培的轉換公式將正負電流轉換為模擬電壓。當電流為0時，霍爾電流傳感器輸出2.5伏中點電壓。將霍爾電流傳感器串接入音圈電機的電源線，根據霍爾效應原理，將電流大小轉換為模擬電壓，並通過14位的模數轉換晶片，以1兆赫茲的高轉換頻率轉換成數位訊號由主控制晶片接收。

結合附圖3所示，所述的霍爾位置採集電路包括霍爾磁場傳感器U5、模數轉換晶片U6和電壓跟隨器OP，所述的電壓跟隨器OP採用一個放大電路，霍爾磁場傳感器U5的VCC端連接外接電源，GND端接地，GND端連接電壓跟隨器OP的+極，電壓跟隨器OP的輸出端連接電壓跟隨器OP的負極以及模數轉換晶片U6的IN+端，模數轉換晶片U6的IN﹣端與電壓跟隨器OP連接。所述的電壓跟隨器OP輸出端與模數轉換晶片U6之間還設有電阻R6和電容C9，構成低通濾波電路，霍爾磁場傳感器U5的VCC端連接有去耦電容C10，電壓跟隨器OP連接有去耦電容C11，模數轉換晶片U6的REF端連接有去耦電容C12，VDD端連接有去耦電容C13和C14。

在音圈電機上，裝有兩塊磁鐵，磁鐵間距離微大於音圈電機運動範圍，且兩塊磁鐵同極性面對面安裝。當音圈電機處於中點位置時，將霍爾磁場傳感器安裝在磁鐵中點位置。霍爾磁場傳感器可以檢測正負600高斯的磁場強度，根據3.125mv/高斯的轉換公式將磁場轉換為模擬電壓。當霍爾磁場傳感器在兩塊磁鐵的中點位置時，檢測到的磁場強度為0，霍爾磁場傳感器輸出2.5伏中點電壓。通過14位的模數轉換晶片，以1兆赫茲的高轉換頻率轉換成數位訊號由主控制晶片接收。在整個音圈電機運動範圍內，磁場呈線性變化，通過測量和校準，將霍爾磁場傳感器的檢測輸出轉換為400um的位置範圍。從而可以控制音圈電機的運動和定位。

以上結合實施例對本實用新型進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用於限定本實用新型的實施範圍。凡依本實用新型申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍屬於本實用新型的專利涵蓋範圍之內。