音圈電機控制方法、系統及控制器與流程
2023-09-19 03:44:35
本發明實施例屬於音圈電機控制技術領域，尤其涉及一種音圈電機控制方法、系統及控制器。
背景技術：
音圈電機因其具有高頻響、高精度等特點，而廣泛應用於信號頻率較高的太赫茲時域光譜儀的光學延遲裝置中。
然而，目前的光學延遲裝置通常採用模擬信號對音圈電機進行閉環控制，模擬信號，易受到音圈電機的電磁反射及機械振動的幹擾，可靠性較低，而且外圍電路較複雜。
技術實現要素：
本發明實施例提供一種音圈電機控制方法、系統及控制器，採用數位訊號對音圈電機進行閉環控制，可避免受到音圈電機的電磁反射及機械振動的幹擾，可靠性高，而且外圍電路簡單。
本發明實施例一方面提供一種音圈電機控制方法，所述音圈電機與驅動電路電連接並與位移傳感器機械連接，所述驅動電路和所述位移傳感器均與控制器電連接，所述音圈電機控制方法包括由所述控制器執行的以下操作：
若接收到上電啟動指令，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動；
檢測所述位移傳感器輸出的零點信號是否為高電平信號，所述零點信號用於表徵所述音圈電機是否到達預設零點位置；
若所述零點信號為高電平信號，則輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第二預設電流信號，以控制所述音圈電機以第二速度向第二方向運動；
從預設初始數值開始對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行計數，並檢測所述脈衝個數是否到達預設個數；
若所述脈衝個數到達預設個數，則控制所述驅動電路改變所述第二預設電流信號的方向，並檢測所述音圈電機是否沿所述第一方向運動；
若所述音圈電機沿所述第一方向運動，則對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行逆計數，將已計數數值清零並停止計數，直到再次檢測到所述零點信號為高電平信號時，返回所述輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號的操作。
本發明實施例還提供一種控制器，所述音圈電機與驅動電路電連接，並與位移傳感器機械連接，所述驅動電路和所述位移傳感器均與控制器電連接，所述控制器包括：
第一運動控制單元，用於若接收到上電啟動指令，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動；
零點檢測單元，用於檢測所述位移傳感器輸出的零點信號是否為高電平，所述零點信號用於表徵所述音圈電機是否到達零點位置；
第二運動控制單元，用於若所述零點信號為高電平信號，則輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第二預設電流信號，以控制所述音圈電機以第二速度向第二方向運動；
第一計數單元，用於從預設初始數值開始對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行計數，並檢測所述脈衝個數是否到達預設個數；
第三運動控制單元，用於若所述脈衝個數到達預設個數，則控制所述驅動電路改變所述第二預設電流信號的方向，並檢測所述音圈電機是否沿所述第一方向運動；
第二計數單元，用於若所述音圈電機沿所述第一方向運動，則對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行逆計數，將已計數數值清零並停止計數，直到再次檢測到所述零點信號為高電平信號時，返回所述輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號的操作。
本發明實施例還提供一種音圈電機控制系統，其包括控制器、驅動電路、音圈電機和位移傳感器；
所述控制器的第一信號輸出端接所述驅動電路的第一信號輸入端，所述控制器的第二信號輸出端接所述驅動電路的第二信號輸入端；所述驅動電路的第一信號輸出端接所述音圈電機的動圈繞組的一端，所述驅動電路的第二信號輸出端接所述音圈電機的動圈繞組的另一端；所述音圈電機的線圈動子與所述位移傳感器的可動部的一端機械連接；所述位移傳感器的信號獲取輸出端接所述控制器的第一信號輸入端；
所述控制器，用於輸出佔空比可調的兩路脈寬調製信號至所述驅動電路；
所述驅動電路，用於根據所述兩路脈寬調製信號輸出正向或反向的電流信號，以控制所述音圈電機正向或反向運動；
所述位移傳感器，用於檢測所述音圈電機的線圈動子作往復運動的運動個數，並以脈衝信號的形式將所述運動個數反饋給所述控制器，還用於檢測在檢測到所述線圈動子到達預設零點位置時，向所述控制器輸出高電平信號；
所述控制器還用於執行上述的音圈電機控制方法。
本發明實施例通過採用數位訊號對音圈電機進行閉環控制，可避免受到音圈電機的電磁反射及機械振動的幹擾，可靠性高，而且外圍電路簡單。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明的一個實施例提供的音圈電機控制系統的結構框圖；
圖2是本發明的一個實施例提供的音圈電機、光柵式位移傳感器和行程開關之間的機械連接結構示意圖；
圖3是本發明的一個實施例的音圈電機控制方法的流程框圖；
圖4是本發明的一個實施例的控制器的結構框圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「包括」以及它們任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。例如包含一系列步驟或單元的過程、方法或系統、產品或設備沒有限定於已列出的步驟或單元，而是可選地還包括沒有列出的步驟或單元，或可選地還包括對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。此外，術語「第一」、「第二」和「第三」等是用於區別不同對象，而非用於描述特定順序。
如圖1所示，本發明的一個實施例提供一種音圈電機控制系統，其包括控制器10、驅動電路20、音圈電機30和位移傳感器40。圖1中用帶箭頭實線表示信號傳輸方向，不帶箭頭實線表示機械連接。
控制器10的第一信號輸出端接驅動電路20的第一信號輸入端，控制器10的第二信號輸出端接驅動電路20的第二信號輸入端。
本實施例中，控制器10可選用現場可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，FPGA)實現。現場可編程邏輯器件的高速信號處理能力和強大的並行處理能力，使得控制器能夠通過數位訊號對音圈電機進行快速的閉環控制，提高數據處理效率。在具體應用中，控制器10也可以通過通用集成電路，例如CPU(Central Processing Unit，中央處理器)，或通過ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路)來實現。
驅動電路20的第一信號輸出端接音圈電機30的動圈繞組的一端，驅動電路20的第二信號輸出端接音圈電機30的動圈繞組的另一端。
本實施例中，驅動電路20選用H橋電路，所述H橋電路的第一交流端為所述驅動電路的第一信號輸入端，所述H橋電路的第二交流端為所述驅動電路的第二信號輸入端，所述H橋電路的第一直流輸出端為所述驅動電路的第一信號輸出端，所述H橋電路的第二直流輸出端為所述驅動電路的第二信號輸出端。在具體應用中，驅動電路也可以選用其他類型的驅動電路。
音圈電機30的線圈動子與位移傳感器40的可動部的一端機械連接。
位移傳感器40的信號獲取輸出端接控制器10的第一信號輸入端；
本實施例中，位移傳感器40為光柵式位移傳感器。採用光柵式位移傳感器可達到納米級的位置精確度，保證音圈電機控制系統應用於太赫茲時域光譜儀的光學延遲裝置時，採集到的太赫茲光譜具有良好的可重複一致性。
如圖2所示，位移傳感器40的可動部為光柵式位移傳感器的滑動導軌41，光柵式位移傳感器的光柵尺42通過機械固定方式或粘貼方式固定在光柵式位移傳感器的滑動導軌41上，位移傳感器40的信號獲取輸出端為光柵式位移傳感器的讀數頭43。圖2中，44為光柵式位移傳感器的零點刻線位置，31為音圈電機30的線圈動子。
如圖2所示，在本實施例中，音圈電機控制系統還包括行程開關50，行程開關50的動端與滑動導軌41的另一端機械連接，行程開關50的不動端接入高電平信號，行程開關50的信號輸出端(圖中未示出)接控制器10的第二信號輸入端。在本實施例中，行程開關50的不動端接入3.3V高電平信號。
行程開關50用於在其動端和不動端接觸時，通過其信號輸出端向控制器10的第二信號輸入端輸出高電平信號，以使控制器獲知以使所述控制器獲知所述驅動電路、所述音圈電機和所述移動傳感器的工作狀態正常。
本實施例中，通過行程開關50來檢測音圈電機控制系統中各器件是否正常工作的原理為：
如果音圈電機控制系統中的各器件正常上電工作，則驅動電路20正常驅動音圈電機30的線圈動子31作往復式機械運動，從而帶動移動傳感器40的滑動導軌41正常移動，使得行程開關50的動端和不動端接觸，將高電平信號傳輸到控制器10的第二信號輸入端，使控制器10接收到該高電平信號；反之，如果音圈電機控制系統中的各器件未正常上電工作，則控制器10無法接收到經由行程開關50傳輸的高電平信號。因此，行程開關50可以用於檢測音圈電機控制系統中的各器件是否正常上電工作。
在具體應用中，讀數頭43通過DB15接頭與控制器10連接，光柵式位移傳感器輸出的信號主要包括相位差為90度的兩路差分信號和檢測到音圈電機到達其零點刻線位置的零點信號。
如圖2所示，在本實施例中，零點刻線位置44設置在光柵尺42上靠近線圈動子31的一側。
本實施例所提供的音圈電機控制系統的工作原理為：
所述控制器，用於輸出佔空比可調的兩路脈寬調製信號(PWM信號)至所述驅動電路；
所述驅動電路，用於根據所述兩路脈寬調製信號輸出正向或反向的電流信號，以控制所述音圈電機正向或反向運動；
所述位移傳感器，用於檢測所述音圈電機的線圈動子作往復運動的運動個數，並以脈衝信號的形式將所述運動個數反饋給所述控制器，還用於檢測在檢測到所述線圈動子到達預設零點位置時，向所述控制器輸出高電平信號。
在具體應用中，控制器輸出的兩路脈寬調製信號中，第一路信號為高電平信號且第二路信號為低電平信號時，則驅動電路輸出的電流信號方向為正向；第一路信號為低電平信號且第二路信號為高電平信號時，則驅動電路輸出的電流信號方向為負向(即反向)。
本發明實施例通過採用數位訊號對音圈電機進行閉環控制，可避免受到音圈電機的電磁反射及機械振動的幹擾，可靠性高，而且外圍電路簡單。
如圖3所示，本發明的一個實施例還提供一種音圈電機控制方法，其基於圖1或2所對應的實施例中的硬體結構實現，所述音圈電機控制方法包括由控制器10執行的以下操作：
S101：若接收到上電啟動指令，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動。
在具體應用中，第一預設佔空比可根據實際需要進行設置。本實施例中，設置其中一路脈寬調製信號為+5V高電平信號，另一路脈寬調製信號為-5V低電平信號，第一預設佔空比為50％。以圖2為例，本實施例中的第一方向為向右。本實施例中，第一預設電流信號為正向電流信號。
在一個實施例中，基於圖2所對應的實施例中的硬體結構，步驟S101具體包括：
若接收到上電啟動指令，則檢測開關信號是否變為高電平信號，若是，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動。
本實施例中，所述開關信號為行程開關50傳輸給控制器10的信號，當行程開關50的動端和不動端接觸使行程開關50閉合時，所述開關信號變為高電平信號，當行程開關50的動端和不動端未接觸使行程開關50斷開時，所述開關信號為0，即沒有信號。
S102：檢測所述位移傳感器輸出的零點信號是否為高電平信號，所述零點信號用於表徵所述音圈電機是否到達預設零點位置。
以圖2為例，本實施例中，零點信號即為光柵式位移傳感器的讀數頭讀取到光柵尺的零點刻線位置時，向控制器所發出的表徵音圈電機到達預設零點位置的信號。本實施例中，預設零點位置即為光柵式位移傳感器的零點刻線位置。
S103：若所述零點信號為高電平信號，則輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第二預設電流信號，以控制所述音圈電機以第二速度向第二方向運動。
在具體應用中，第二預設佔空比可根據實際需要進行設置。本實施例中，設置其中一路脈寬調製信號為+5V高電平信號，另一路脈寬調製信號為-5V低電平信號，第二預設佔空比為90％。以圖2為例，本實施例中的第二方向為向左。本實施例中，第二預設電流信號為負向(反向)電流信號。
S104：從預設初始數值開始對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行計數，並檢測所述脈衝個數是否到達預設個數。
在具體應用中，預設初始數值和預設個數可以根據需要進行設置，本實施例中，預設個數設置為60000，為了方便計數，將預設初始數值設置為0，。
S105：若所述脈衝個數到達預設個數，則控制所述驅動電路改變所述第二預設電流信號的方向，並檢測所述音圈電機是否沿所述第一方向運動；
S106：若所述音圈電機沿所述第一方向運動，則對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行逆計數，將已計數數值清零並停止計數，直到再次檢測到所述零點信號為高電平信號時，返回S103。
本實施例中，逆計數是指以數值由大到小依次遞減的形式計數，例如，原本由1計數到10，逆計數則為由10計數到1。在具體應用中，再次檢測到所述零點信號為高電平信號時，計數器的計數數值應當為0，即通過改變所述第二預設電流信號的方向，使所述音圈電機沿所述第一方向運動，使音圈電機回到預設零點位置，計數器清零並停止計數，返回S103再重新開始計數。
本實施例中，檢測到零點信號則將已計數數值清零並停止計數並停止計數的目的是：防止音圈電機在預設零點位置右側運動，使檢測到的脈衝的預設個數超過設定的預設個數時，使控制器檢測到的音圈電機的運動時序發生混亂。
如圖4所示，本發明的一個實施例提供的控制器10用於執行圖3所對應的實施例中的操作S101～S106，其包括：
第一運動控制單元101，用於若接收到上電啟動指令，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動；
零點檢測單元102，用於檢測所述位移傳感器輸出的零點信號是否為高電平，所述零點信號用於表徵所述音圈電機是否到達零點位置；
第二運動控制單元103，用於若所述零點信號為高電平信號，則輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第二預設電流信號，以控制所述音圈電機以第二速度向第二方向運動；
第一計數單元104，用於從預設初始數值開始對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行計數，並檢測所述脈衝個數是否到達預設個數；
第三運動控制單元105，用於若所述脈衝個數到達預設個數，則控制所述驅動電路改變所述第二預設電流信號的方向，並檢測所述音圈電機是否沿所述第一方向運動；
第二計數單元106，用於若所述音圈電機沿所述第一方向運動，則對所述位移傳感器輸出的脈衝個數進行逆計數，將已計數數值清零並停止計數，直到再次檢測到所述零點信號為高電平信號時，返回所述輸出兩路第二預設佔空比的脈寬調製信號的操作。
在具體應用中，第一計數單元104和第二計數單元106可以為同一個計數器。
在一個實施例中，第一運動控制單元101具體用於：
若接收到上電啟動指令，則檢測開關信號是否變為高電平信號，若是，則輸出兩路第一預設佔空比的脈寬調製信號控制所述驅動電路輸出第一預設電流信號，以驅動所述音圈電機以第一速度向第一方向運動。
在具體應用中，本發明實施例中的所有單元，均可以通過單獨的通用集成電路，例如CPU(Central Processing Unit，中央處理器)，或通過ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路)來實現。本實施例中，本發明實施例中的所有單元均通過控制器的內部控制電路或器件實現。
本發明實施例方法中的操作可以根據實際需要進行順序調整、合併和刪減。
本發明實施例控制器中的單元可以根據實際需要進行合併、劃分和刪減。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程序可存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory，ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory，RAM)等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。