高精度音圈作动器恒流驱动装置的制作方法

1.本发明涉及音圈作动器，尤其涉及一种高精度音圈作动器恒流驱动装置。


背景技术：

2.音圈作动器一般用于精密或超精密定位系统中，可以通过微动平台偏转角度来补偿系统中的位置误差，并以最短时间精确定位运动到目标位置。音圈作动器是一种基于洛伦兹力原理设计的一种直线机构，具有结构简单、体积小、零磁滞、零磁槽效应、高响应、高精度、高加速、控制方便等优点，常用于光学系统领域、半导体设备领域、航空航天领域等方向。
3.面向航天型的音圈指向隔振机构（用于主动指向超净平台，三超平台）中的音圈作动器，需要通过高精度恒流方式驱动音圈作动器，实现该作动器的地面驱动和地面测试。而目前的现有技术中，音圈电机驱动方式主要用于扬声器、手机相机、激光聚焦等场合，这些驱动方式的驱动电流一般都偏小，属于ua或ma量级，音圈指向隔振机构最大需要3a的电流，现有驱动方式无法满足；另外目前的驱动方式大部分采用pwm控制方式，该方式存在抖动现象，尤其是在占空比比较小的时候达不到需要的动态特性要求，而且pwm驱动方式存在谐波干扰的缺陷，这些缺陷有必要进行改进。


技术实现要素：

4.针对上述现状，本发明提供一种高精度音圈作动器恒流驱动装置，可以驱动两路作动器，每路之间从采集、反馈、驱动、控制环节都相互独立，既可以输出直流电流也可以输出交流电流，直流电流连续可调，可以满足航天型音圈作动器的驱动需求。
5.为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：一种高精度音圈作动器恒流驱动装置，包括：控制模块、两个采样电路模块、两个恒流源驱动模块，以及电源系统；控制模块包括mcu以及与mcu连接的fpga；两个采样电路模块分别用于连接一个音圈作动器，采样电路模块通过adc芯片连接fpga；两个恒流源驱动模块分别用于连接一个音圈作动器，恒流源驱动模块包括恒流源驱动单元和恒流反馈单元，恒流源驱动单元通过dac芯片连接fpga，恒流反馈单元通过adc芯片连接fpga，恒流反馈单元连接恒流源驱动单元；mcu用于接收用户控制端配置的信息，生成恒流源驱动模块需要的电压信号v
in
，fpga用于对电压信号v
in
进行处理后通过dac芯片转换后提供给恒流源驱动单元，恒流源驱动单元用于根据dac芯片转换后的电压信号v
in
进行恒流输出以提供给音圈作动器，恒流反馈单元用于对音圈作动器进行反馈采样以将反馈采样信息反馈给恒流源驱动单元，并将反馈采样信息通过adc芯片转换后提供给fpga，fpga用于对反馈采样信息进行处理后提供给mcu，mcu连接音圈作动器，用于获取音圈作动器的位置信息，并根据位置信息和反馈信息进
行计算，并根据计算结果调整生成的电压信号v
in
；采样电路模块用于采集音圈作动器的电压、电流、轴温、环境温度信息，并通过adc芯片转换后反馈给fpga，fpga用于对转换后的采集信息进行处理，并通过mcu反馈到用户控制端进行监控；电源系统用于为控制模块、恒流源驱动模块、采样电路模块、dac芯片、adc芯片提供电源。
6.恒流源驱动模块包括两个相同的运放电路；运放电路包括运放芯片、两个输入电阻r、两个反馈电阻rf、一个采样电阻rs，运放芯片、两个输入电阻r、两个反馈电阻rf构成恒流源驱动单元，采样电阻rs构成恒流反馈单元；一个输入电阻r连接运放芯片的输入v-，另一个输入电阻r连接运放芯片的输入v ，采样电阻rs一端连接在运放芯片输出端，另一端连接音圈作动器，一个反馈电阻rf连接在运放芯片输出端和运放芯片的输入v-之间，另一个反馈电阻rf连接在采样电阻rs另一端和运放芯片的输入v 之间；dac芯片转换后的电压信号v
in
通过输入电阻r输入到运放芯片的输入v-。
7.本发明的有益效果在于：1、可以驱动两路作动器，每路之间从采集、反馈、驱动、控制环节都相互独立，既可以输出直流电流也可以输出交流电流，直流电流连续可调，可以满足航天型音圈作动器的驱动需求；2、驱动电流大，最大电流可达3a，解决了现有技术无法适配大电流的缺陷；且电流反馈电路为直接反馈，无延时，响应快；电流波形输出频率可调（最大1khz）、幅值可调（最大3a）。
附图说明
8.图1为本技术实施例的整体结构框图。
9.图2为本技术实施例的恒流源驱动模块电路图。
10.图3为本技术实施例的电源监测保护电路连接关系图。
11.图4为本技术实施例的电源监测保护电路示例电路图。
12.图5为本技术实施例的电源隔离模块示例电路图。
13.图6为本技术实施例的继电器隔离电路示例电路图。
14.图7为本技术实施例的信号隔离模块示例电路图。
15.图8为本技术实施例的双闭环控制流程框图。
16.图9为本技术实施例的双闭环控制中断服务程序流程图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。
18.本技术实施例的一个方面，提供一种高精度音圈作动器恒流驱动装置，用于同时驱动音圈作动器lma1和音圈作动器lma2，如图1所示，驱动装置包括：控制模块、两个采样电路模块、两个恒流源驱动模块，以及电源系统。
19.控制模块包括mcu以及与mcu连接的fpga；两个采样电路模块分别用于连接一个音圈作动器，采样电路模块通过adc芯片连接fpga。
20.两个恒流源驱动模块分别用于连接一个音圈作动器，恒流源驱动模块包括恒流源驱动单元和恒流反馈单元，恒流源驱动单元通过dac芯片连接fpga，恒流反馈单元通过adc芯片连接fpga，恒流反馈单元连接恒流源驱动单元。
21.mcu用于接收用户控制端配置的信息，生成恒流源驱动模块需要的电压信号vin，fpga用于对电压信号vin进行处理后通过dac芯片转换后提供给恒流源驱动单元，恒流源驱动单元用于根据dac芯片转换后的电压信号vin进行恒流输出以提供给音圈作动器，恒流反馈单元用于对音圈作动器进行反馈采样以将反馈采样信息反馈给恒流源驱动单元，并将反馈采样信息通过adc芯片转换后提供给fpga，fpga用于对反馈采样信息进行处理后提供给mcu，mcu连接音圈作动器，用于获取音圈作动器的位置信息，并根据位置信息和反馈信息进行计算，并根据计算结果调整生成的电压信号v
in
。
22.采样电路模块用于采集音圈作动器的电压、电流、轴温、环境温度信息，并通过adc芯片转换后反馈给fpga，fpga用于对转换后的采集信息进行处理，并通过mcu反馈到用户控制端进行监控。
23.具体的，如图2所示，恒流源驱动模块包括两个相同的运放电路；运放电路包括运放芯片（其中一个运放电路中为运放u1，另一个运放电路中为运放u2）、两个输入电阻r、两个反馈电阻rf、一个采样电阻rs，运放芯片、两个输入电阻r、两个反馈电阻rf构成恒流源驱动单元，采样电阻rs构成恒流反馈单元。
24.其中，一个输入电阻r连接运放芯片的输入v-，另一个输入电阻r连接运放芯片的输入v ，采样电阻rs一端连接在运放芯片输出端，另一端连接音圈作动器，一个反馈电阻rf连接在运放芯片输出端和运放芯片的输入v-之间，另一个反馈电阻rf连接在采样电阻rs另一端和运放芯片的输入v 之间；dac芯片转换后的电压信号v
in
通过输入电阻r输入到运放芯片的输入v-。
25.运放电路的输出电流i
out
=(v
in
*rf)/(r*rs)，其中，rs阻值为的ω级别，rf阻值为的kω级别。控制v
in
的大小和形态即可控制i
out
的大小和形态，选择匹配的rf、r、rs即可调整出恒流源的输出范围。恒流源的精度由数模转换器dac的位数保证，此处dac芯片选择18位da（max5719）保证精度。电路中通过输出端的rs采样引入反馈，可直接反馈至驱动端，能使得反馈更加快速有效。
26.具体的，研制过程中选用高精度低温漂采样电阻rs进行采样，恒流采样读数精度要求为0.2ma，分辨率为1ua，每个正弦周期采样点为500个，这样需要adc为24位以上，采样率不低于500 ksps，研制过程中选用ad7768-1芯片实现此处采样，该芯片为24bit，采样率可达1.024 msps，能够实现恒流源的高精度采样及反馈需求。采样电阻rs反馈采样信息数据除了直接进入反馈环节，数据还需要接入mcu fpga控制模块，用于监控和控制等。
27.mcu fpga的控制模块：该模块是整个驱动装置的大脑，接收用户的设置信息，生成恒流源需要的电压信号v
in
，监控各种信号参数，计算需要的反馈信息，通过usb给上位机监控数据等。研制过程中mcu选用微芯公司的atsam4s2a，fpga选用lattice公司的xo3l-6900，因为驱动装置回采数据比较大，选用usb接口进行传输，根据usb hid hs模式工作在user mode方式下，最高传输速率可达到24mb/s。通过usb接口与上位机的用户控制端pc连接，用
户可以通过用户控制端pc设置驱动相关参数，并通过数据、图形、表格等信息监测音圈作动器的工作状态。
28.电源系统主要功能为驱动装置中所用到硬件芯片和电路提供相应电源，比如为控制模块、恒流源驱动模块、采样电路模块、dac芯片、adc芯片提供电源等。电源种类主要有
±
15v、5v和3.3v等。
29.在本实例中，如图8所示，恒流反馈单元对音圈作动器进行反馈采样以将反馈采样信息通过adc芯片转换后提供给fpga，fpga对反馈采样信息进行处理后提供给mcu，mcu根据反馈信息进行计算，形成内环电流控制环，内环电流控制环的控制周期通过mcu的定时器的定时溢出配置实现。
30.mcu通过获取位置信息进行计算，并根据位置信息进行计算，形成外环位置控制环，位置信息通过音圈作动器自带涡流传感器采集获取，外环位置控制环的控制周期为内环电流控制环的控制周期的整数倍，比如外环位置控制环的控制周期设置为1ms，内环电流控制环的控制周期设置为50us；内环电流控制环和外环位置控制环构成双闭环控制。
31.双闭环控制具有以下中断控制流程，如图9所示：mcu判断当前时间是否大于预设时间：若否，恒流反馈单元进行电流电压检测以获取反馈信息，若是，则进行故障报警及保护，即中断结束进入保护操作，并进入下一次循环。其中，当前时间由mcu的timer计数器确定，预设时间为外环位置控制环的控制周期，比如1ms。
32.进行电流电压检测时，若已经过流或过压，则进行故障报警及保护，若未过流且未过压，则判断外环位置控制环是否闭环；若外环位置控制环是闭环，则判断内环电流控制环是否闭环，若外环位置控制环未闭环，则进行位置闭环控制后再判断内环电流控制环是否闭环；若判断内环电流控制环是闭环，则进行电流控制输出，即驱动电流输出，也即调整生成的电压信号v
in
，中断返回；若判断内环电流控制环未闭环，则电流闭环控制后再进行进行电流控制输出，然后，中断返回。
33.通过双闭环控制，使得整个恒流驱动系统精确和快速完成调节，同时不会超调，而且增强了系统的抗干扰能力。
34.作为本技术实施例的优选实施方式，驱动装置还包括电源监测保护电路，连接在电源系统输出端，用于进行电源系统输出电流电压检测，连接关系如图3所示。具体的，电源监测保护电路可以采用如图4所示的电路，包括保险管f1、电流采样电阻r10、双路运放u20。保险管f1可采用smd400型，可自恢复，保护等级为4a电流，电压进行双向30v保护，瞬态功率最大为600w。双路运放u20的一路通过外部电路设计为加法器/减法器，其输出端为adc_iout0，双路运放u20的另一路通过外部电路设计为跟随器/比例器，其输出端为adc_vout0。
35.保险管f1一端连接电源系统供电端dcin hvo和双路运放u20的9脚vin端，保险管f1另一端连接电流采样电阻r10一端、并连接一电容c26正极端、并连接双路运放u20的12脚in 端，电容c26负极端接地，电流采样电阻r10另一端连接双路运放u20的11脚v 端、并连接一电阻r45一端和双路运放u20的供电端vout0端，电阻r45一端连接双路运放u20的1脚in-端，双路运放u20的5脚fb端通过电阻r58连接于一场效应管q1的3脚漏极端，场效应管q1的2
脚源极端连接地，场效应管q1的1脚源极用于连接控制参数gain_set0端，控制参数gain_set0端由muc控制，双路运放u20的6脚outv端通过电阻r57连接双路运放u20的5脚fb端，并通过电阻r47连接地，并连接一电阻r50一端，电阻r50另一端为检测电压输出端adc_vout0，电阻r50另一端通过电容c28接地，双路运放u20的3脚outi端通过电阻r46接地，并连接电阻r49一端，电阻r49另一端为检测电流输出端adc_iout0，电阻r49另一端通过电容c19接地，双路运放u20的7脚vs端连接电源系统的d3v3端（3.3v电压输出端）。4脚gnd端连接地，2脚nc0端、8脚nc1端、10脚nc2端悬空。
36.双路运放u20的加法器/减法器电路一路，计算电流采样电阻r10两端电压差，输出adc_iout0与电流采样电阻r10两端电压差成正比，该电压与电流采样电阻r10阻值相除，则可在adc_iout0端检测电源系统供电端dcin hvo的电流值；双路运放u20的跟随器/比例器一路，输出adc_vout0与电源系统供电端dcin hvo电压成正比，即可在adc_vout0端检测电源系统供电端dcin hvo的电压值。这样通过双路运放u20既能检测电源系统供电电流，也能检测电源系统供电电压，并利用测量到的这两个参数，计算供电功率消耗，可以很好的对电源系统进行了实时监测。这样通过双路运放u20输出电压adc_vout0和电流adc_iout0，由adc采集转换后提供给控制模块的fpga，fpga处理后传输给mcu实现监控，这样可以对整个系统起到保护作用。
37.场效应管q1可采用2n7002型，该处设计可以适应低压电路，当处于低压状态时，通过控制端gain_set0的参数设置，调整放大增益倍数，提高电路的适应性。
38.另外为了对负载也设置了限制，5ω负载限制为4.5~5.5欧姆，15欧姆负载限制为14.5~15.5欧姆，这样也可以对驱动装置加以保护。
39.作为本技术实施例的优选实施方式，电源系统包括电源隔离模块，用于隔离电源输入和输出，电源系统主要功能是为驱动装置中所用到硬件芯片和电路提供相应电源，电源种类主要包括有
±
15v、
±
5v和
±
3.3v等。以其中提供
±
5v的供电的电源隔离模块为例，简单说明，如图5所示，该电源隔离模块采用隔离电源u24，比如型号为tdn5-4821wi系列电源，支持输入为18~75v dc，输出为
±
5v dc，比如图中，其输入侧的引脚1的vin 端连接vcc55_out，用于输入55v dc，引脚2的vin-端连接地，引脚4的en端连接pwr_dual_en控制信号；输出侧与输入侧隔离，输出侧的引脚5的vout-端输出vout_-5v，引脚7的vout 端输出vout_ 5v，引脚6的vcomm端连接地。该模块可以通过mcu发出的pwr_dual_en控制信号进行使能控制。该电路设计也用于其他不同类型电源的设计中（比如
±
12v、3.3v等）。
40.作为本技术实施例的优选实施方式，还包括继电器隔离电路，其连接在电源系统输出端，用于控制电源的打开与关闭，如图6所示，包括固态继电器u7，其引脚1通过一电阻r44连接控制端mcu_hv_ctrl1，引脚2连接地，引脚3连接avcc55v1（为驱动模块部分供电），引脚4通过保险管f2连接电源系统的供电端dcin_hvo。固态继电器u7可采用cpc1718j型号，闭锁电压最高为100v，负载电流可达6.75a，通过控制端mcu_hv_ctrl1（该控制端是与mcu连接并由mcu控制）控制固态继电器u7的开启与关闭。该电路在电源上电和电流输出多次使用。
41.作为本技术实施例的优选实施方式，还包括信号隔离模块，连接在fgpa与dac芯片、fpga与adc芯片之间，用于进行信号隔离，以避免模拟信号引起的串扰不会影响数字信号。设计中选用iso77系列信号隔离模块，如图7所示为信号隔离模块电路实例，该图中u8和
u9为信号隔离模块，u8为三入三出隔离模块iso7763，u9为一入一出隔离模块iso7721，分别为iso7763和iso7721，该系列隔离芯片的隔离电压为3000v，传输序列为100mbps。其中，信号隔离模块u8设置在fpga与adc芯片之间，信号隔离模块u9设置在mcu与usb通信芯片之间。
42.作为本技术实施例的优选实施方式，驱动装置采用板载散热片散热，还包括散热片和风扇，风扇通过电源系统供电，风扇送风方向朝向散热片设置，用于提高驱动装置的散热效果，利于对温度进行控制。
43.本技术实施例的驱动装置用于驱动音圈作动器，实现该作动器的地面驱动和地面测试。该驱动装置可以驱动两路作动器，既可以输出直流电流也可以输出交流电流，直流电流连续可调，最大电流可达
±
3a，输出精度小于0.4ma，交流电流频率为0-1khz正弦波，交流峰值最大
±
3a，幅度连续可调，频率可调，输出精度小于0.4ma，音圈负载兼容5欧姆和15欧姆两种。
44.以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。