CN110022112B - 一种稳定时间短适用阻尼系数范围广的音圈马达控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稳定时间短适用阻尼系数范围广的音圈马达控制方法，分三步使音圈马达到达目标位置：第一步时，马达移动方向与目标方向相同；第二步时，马达移动方向与目标方向相反；第三步时，马达移动方向与目标方向相同；三步之后，马达所处的位置为目标位置。计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离乘以相应的一个系数的运算；优选通过一个乘法器进行目标移动距离与阻尼系数对应参数的乘法运算，且每一步对应系数中剩余部分的计算通过移位和加法并行实现，或者通过移位实现。本发明的方法实现简单，能够快速稳定马达，适应不同阻尼系数的音圈马达，具有简化电路、降低计算复杂度、节省存储资源的优点。

Description

一种稳定时间短适用阻尼系数范围广的音圈马达控制方法

技术领域

本发明公开了一种能够快速稳定马达的控制方法，该方法具有适用不同阻尼系数马达的特性。该发明属于音圈马达控制和集成电路设计领域。

背景技术

控制马达稳定的时间是衡量音圈马达控制算法的一个重要参数。

随着马达成本和性能的不断优化，新材料的选取使得市面上音圈马达的阻尼系数在不断增大。音圈马达阻尼系数的增大，导致一般控制算法的稳定效果逐渐减弱。为了适应阻尼系数不断增大的音圈马达，控制算法需要越来越复杂。复杂化的控制算法其中一个突出表现是控制时间逐渐增大，从而使得马达稳定时间也跟着不断增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定时间短适用阻尼系数范围广的音圈马达控制方法，能够快速稳定马达，适用于不同阻尼系数的马达。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种音圈马达控制方法，分三步使音圈马达到达目标位置：

第一步时，马达移动距离为step1，移动方向与目标方向相同；

第二步时，马达移动距离为step2，移动方向与目标方向相反；

第三步时，马达移动距离为step3，移动方向与目标方向相同；

三步之后，马达所处的位置为目标位置；

其中，每一步移动距离的计算公式为：

S是马达的目标移动距离，delta是与马达的阻尼系数K对应的设定参数。

优选地，计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；其中，通过一个乘法器进行式4的乘法运算：

S*delta 式4

每一步对应系数中的剩余部分表示为：

通过移位和加法并行，来实现式5～式7对应的系数乘法。

优选地，将每一步移动距离的计算公式替换为：

step1＝S+S*delta/4 式8

step2＝S 式9

step3＝S-S*delta/4 式10

S是马达的目标移动距离，delta是与马达的阻尼系数K对应的设定参数。

优选地，计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；其中，通过一个乘法器进行式4的乘法运算：

S*delta 式4

通过右移两位实现式8、式10中除以4的运算。

优选地，计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；这三步对应的三个系数的乘法，通过三个乘法器同时实现，或者通过一个乘法器分时复用实现。

优选地，实现所述音圈马达控制方法的电路，设置有存储空间，对不同阻尼系数下三步对应的三个系数进行记录，或者对不同阻尼系数下的delta值进行记录，或者对不同阻尼系数下delta/4的数值进行记录。

优选地，第一步的移动时刻为0时刻，第二步的移动时刻为

第三步的移动时刻为

T为马达振荡周期。

本发明给出了一种音圈马达控制方法，能够快速稳定马达，该控制方法稳定马达的时间仅有马达振荡周期的1/3。通过引入音圈马达阻尼系数的参数，使得该方法能够适应不同阻尼系数的音圈马达。除此之外，该方法实现简单，具有简化电路、降低计算复杂度、节省存储资源的优点。

附图说明

图1是本发明的控制方法中所用算法的波形图；

图2是本发明算法中不同阻尼系数时每一步移动距离的示例的表格；

图3a是没有引入阻尼系数时本发明的算法控制后马达的运动曲线；

图3b是引入阻尼系数时本发明的算法控制后马达的运动曲线；

图4是第一种优化算法后不同阻尼系数下delta值的示例表；

图5是第一种优化算法控制后的马达位移曲线的示例；

图6是第一种优化算法控制后不同阻尼系数下马达稳定时间的示例表；

图7是第二种优化算法控制后马达位移曲线的示例；

图8是第二种优化算法控制后不同阻尼系数下马达稳定时间的示例表。

具体实施方式

本发明提供一种稳定时间短适用阻尼系数范围广的音圈马达控制方法。图1为本发明中使用的音圈马达控制算法的波形。图1中横坐标表示时间，纵坐标表示控制音圈马达移动的位移。

从图1中可以看出，算法控制马达分三步到达目标位置，其中第一步在时间为0的时刻，马达移动距离大小为step1，移动方向为与目标方向一致；第二步移动时刻为

T为马达振荡周期，马达移动距离为step2，移动方向为与目标方向相反；第三步移动时刻为

马达移动距离为step3，移动方向为与目标方向相同。三步走完之后，马达所处的位置为目标位置，即图1中target位置。

图1中，每一步马达移动的大小与马达目标位置有关，也与马达阻尼系数有关。如果将马达的目标移动距离记为S，将马达的阻尼系数记为K，则当马达阻尼系数不同时，算法每一步控制马达移动的距离与目标移动距离之间的关系如图2所示。

图2示出的表格中，第一列给出了马达阻尼系数从0到0.5的变化范围，第2列到第4列分别给出了不同阻尼系数下，算法控制马达每一步移动的距离。其中S表示目标移动距离。图2中的表格可以衍生至马达阻尼系数为任意值的情况。

利用图1和图2给出的控制算法，对马达振荡频率为100Hz，阻尼系数为0.2的马达进行控制，可得到控制后马达的运动曲线如图3b所示。图3a、图3b中横坐标表示时间，纵坐标表示马达的位移。

图3a对应的算法中没有引入阻尼系数，图3b对应的算法引入了阻尼系数。图3a中马达稳定到目标值的±2％所需的时间约为25ms，即2.5倍马达振荡周期；图3b中马达稳定到目标值的±2％所需的时间约为3ms，即1/3倍马达的振荡周期。根据图3a、图3b可以看出，在有阻尼系数的情况下，本发明提供的算法能很好的克服阻尼系数对稳定的影响，且本算法具有很快的稳定效果。

从图2中可以看出，对于一个固定的阻尼系数，算法每一步都需要对目标移动距离S乘以一个系数，才能得到每一步的移动距离，因此在每一次移动过程中，算法需要乘以3个系数。

为了在电路中实现该过程，需要预留一个存储空间，将不同阻尼系数下算法的每一步系数记录下来，这需要占据一定的面积资源；另外，三个系数的乘法可以用两种方式实现，一是利用三个乘法器同时实现，二是通过一个乘法器分时复用实现，前者乘法器会占据很大的面积，而后者三次乘法会占用较多的计算时间。

为了简化3次乘法的复杂性，本发明对算法中每一步距离的得出给出了一个近似计算公式，如下

上式中S为目标移动距离，delta为不同阻尼系数下对应的参数，如图4所示。

优化后的算法只需要存储图4中delta的参数即可，相比于图2中的参数，该优化后的算法节省了2/3的存储资源。

另外，从式(1)～(3)可以看出，得到每一步的大小只需要做一个乘法，即

S*delta (4)

而式(1)中的

可以表示为

式(2)中的

可以表示为

式(3)中的

可以表示为

从式(5)～(7)可以看出，各式中系数的乘法可以通过简单的移位和加法实现。这样式(1)～(3)的计算只需要一个乘法器。

因此实现式(1)～(3)可以通过一个乘法器得到式(4)，然后通过移位和加法并行实现式(5)～(7)对应的系数乘法。

图5给出了马达振荡频率为100Hz，阻尼系数为0.2时，采用式(1)～(3)的近似算法得到的马达位移曲线。图5中横坐标表示时间，纵坐标表示马达位移。比较图5和图3b可以看出，两者的建立曲线非常接近，图5中马达稳定到±2％所需的时间约为3ms，与图3b相同。

图6给出了不同阻尼系数时，利用式(1)～(3)的近似算法控制音圈马达，得到马达稳定在±2％时所需要时间。从图6中可以看出，当马达阻尼系数小于等于0.4时，马达的建立时间(settling time)都为3ms，与图1中的非近似算法相同；当马达阻尼系数大于0.4且小于0.5时，马达建立时间增加至3.7ms左右，比图1中算法建立时间略长；当马达阻尼系数为0.5时，马达建立时间增加至7ms，此时近似算法的控制效果开始明显减弱。因此，式(1)～(3)的近似算法在马达阻尼系数小于0.5的情况下非常适用。

为了进一步节省电路资源，本发明对式(1)～(3)的算法进一步近似如下，

step1＝S+S*delta/4 (8)

step2＝S (9)

step3＝S-S*delta/4 (10)

式(8)到(10)中的delta仍然使用图4中的参数。

比较式(1)～(3)和式(8)～(10)可以看出，后者同样需要实现一个乘法，即S*delta；但是，后者没有式(5)～(7)的系数计算，只需要计算除以4即可，该除法可以通过右移两位实现。如果在电路中delta参数的存储以delta/4的形式给出，则式(8)～(10)不需要计算额外的系数乘法，这进一步减少了电路实现时的资源。

图7给出了马达振荡频率为100Hz，阻尼系数为0.2时，采用式(8)～(10)的近似算法得到的马达位移曲线。图7中横坐标表示时间，纵坐标表示马达位移。比较图7和图3b可以看出，两者的建立曲线同样非常接近，图7中马达稳定到±2％所需的时间也约为3ms。

图8给出了在采用式(8)～(10)的近似算法时，不同阻尼系数的马达稳定到±2％所需的时间。从图8中可以看出，在阻尼系数小于等于0.25时，马达的稳定时间都在3ms左右，当马达阻尼系数为0.275时，马达的稳定时间增加至6.4ms，且随着阻尼系数逐渐增大，马达的建立时间逐渐增大。

比较图8和图6可以看出，虽然式(8)～(10)的算法比式(1)～(3)简单，但是其稳定效果比式(1)～(3)的稳定效果要稍微差一些，两者之间存在着实现资源和稳定性能上的折中。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种音圈马达控制方法，其特征在于，

分三步使音圈马达到达目标位置：

第一步时，马达移动距离为step1，移动方向与目标方向相同；

第二步时，马达移动距离为step2，移动方向与目标方向相反；

第三步时，马达移动距离为step3，移动方向与目标方向相同；

三步之后，马达所处的位置为目标位置；

其中，每一步移动距离的计算公式为：

S是马达的目标移动距离，delta是与马达的阻尼系数K对应的设定参数。

2.如权利要求1所述音圈马达控制方法，其特征在于，

计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；

其中，通过一个乘法器进行式4的乘法运算：

S*delta 式4

每一步对应系数中的剩余部分表示为：

通过移位和加法并行，来实现式5～式7对应的系数乘法。

3.如权利要求1所述音圈马达控制方法，其特征在于，

计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；

这三步对应的三个系数的乘法，通过三个乘法器同时实现，或者通过一个乘法器分时复用实现。

4.如权利要求1～3中任意一项所述音圈马达控制方法，其特征在于，实现所述音圈马达控制方法的电路，设置有存储空间，对不同阻尼系数下三步对应的三个系数进行记录，或者对不同阻尼系数下的delta值进行记录。

5.如权利要求1所述音圈马达控制方法，其特征在于，

将每一步移动距离的计算公式替换为：

step1＝S+S*delta/4 式8

step2＝S 式9

step3＝S-S*delta/4 式10

S是马达的目标移动距离，delta是与马达的阻尼系数K对应的设定参数。

6.如权利要求5所述音圈马达控制方法，其特征在于，

计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；

其中，通过一个乘法器进行式4的乘法运算：

S*delta 式4

通过右移两位实现式8、式10中除以4的运算。

7.如权利要求5所述音圈马达控制方法，其特征在于，

计算每一步的移动距离时，包含目标移动距离S乘以相应的一个系数的运算；

这三步对应的三个系数的乘法，通过三个乘法器同时实现，或者通过一个乘法器分时复用实现。

8.如权利要求5～7中任意一项所述音圈马达控制方法，其特征在于，实现所述音圈马达控制方法的电路，设置有存储空间，对不同阻尼系数下三步对应的三个系数进行记录，或者对不同阻尼系数下的delta值进行记录，或者对不同阻尼系数下delta/4的数值进行记录。

9.如权利要求1或5所述音圈马达控制方法，其特征在于，

第一步的移动时刻为0时刻，第二步的移动时刻为

第三步的移动时刻为

T为马达振荡周期。

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