高性能洛伦兹电机驱动器的研究

《高性能洛伦兹电机驱动器的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、《微电机》投稿高性能洛仑兹电机驱动器的研究王仕博，陈学东，王君峰，李小清（华中科技大学，数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉，430074）摘要：以洛仑兹电机为例，研究了带宽至少为3kHz，电流控制精度达为0.1mA的高性能驱动器。介绍了洛仑兹电机的工作原理，并建立了电机的数学模型。在此基础上，对洛仑兹电机驱动器的电流控制电路、H桥驱动电路、LC滤波电路以及电流反馈电路进行了设计，并建立了各电路的数学模型。对驱动器进行了频域仿真和时域实验分析。关键词：洛仑兹电机；电机驱动器；电流控制器ResearchonHighPerformanceL

2、orentzmotordriveWANGShibo，CHENXuedong，WANGJunfeng，LIXiaoqingStateKeyLab.ofDigitalManuf.Equip.andTechnol.，HuazhongUniv.ofSci.andTechnol.，Wuhan，430074Abstract:TakingtheLorentzmotorforexample,amotordrivewiththecharacteristicofbandwidthof3kHzandcurrentaccuracyupto0.1mAwasstud

3、ied.BaseontheanalysisoftheprincipleandmathematicalmodeloftheLorentzmotor,themotordrivewasstudiedincludingcurrentregulationcircuit,H-bridgedrivecircuit,LCfiltercircuitandthecurrentfeedbackcircuit.Simulationinfrequencydomainandexperimentsintimedomainwerealsopresented.Keywor

4、ds:Lorentzmotor;motordrive;currentregulator基金项目：国家科技重大专项资助项目（2009ZX02208-010）《微电机》投稿0引言洛仑兹电机是基于洛仑兹力进行工作的。当电机的线圈中通过一定的电流时，线圈在磁场的作用下将产生洛仑兹力，洛仑兹力和线圈电流之间具有良好的线性关系，通过改变线圈的电流就能有效地控制洛仑兹力的大小和方向。由于洛仑兹电机能实现直线运动，且具有推力大、响应快、控制方便等特点，所以被广泛地用作精密直线运动的驱动装置，如光刻机微动运动工作台的驱动电机[1]、精密主动减振器的作动器等

5、[2]。洛仑兹电机需要驱动器给它提供合适的电流才能正常的工作。与普通的直流电机驱动器相比，洛仑兹电机驱动器要求电流调节精度高、响应速度快。在精密控制中，驱动器的电流控制精度要求小于0.1mA，系统的闭环带宽至少为3kHz。电流反馈元件是影响驱动器电流控制精度的关键器件，一般采用HALL电流传感器，但其零点偏置和温飘等问题[3,4]是反馈电路设计中必须解决的问题之一。其次，H桥电路输出的PWM驱动信号中包含有高频的电压成份，也会影响电流的控制精度。因此，在设计滤波电路时，既要考虑滤波效果，又要兼顾驱动器的闭环控制带宽[5]另外，经典的PI或

6、P+谐振电流控制器[6]不能满足驱动器对系统带宽的要求，而且P+谐振控制器只能在基本频率处使系统的静态误差最小。针对上述问题，本文建立了洛仑兹电机及其驱动器的数学模型；在分析的基础上设计了高精度的电流反馈电路和LC滤波电路；用二阶相位滞后控制电路作为电流控制器，提高了驱动器低频段的增益，减小静态误差，还能满足驱动器闭环控制带宽的要求。最后，本文对驱动器进行了频域仿真和时域实验分析。1洛仑兹电机的工作原理与数《微电机》投稿学模型1.1洛仑兹电机的工作原理洛仑兹电机基于洛仑兹力而产生运动或阻尼。由永磁铁产生磁场，通电线圈垂直于磁场，产生垂直于

7、磁场和电流方向的作用力：(1)式中FLorentz为洛仑兹力；为磁场强度；为线圈电流；为线圈长度；Kf为推力常数。式（1）表明电机的推力可以通过输入的电流进行调节控制。电流是通过电压控制命令u(t)进行调节的，所以洛仑兹FLorentz力和控制命u(t)令之间的关系可表达为：（2）式中,Ka为电压与电流之间的关系常数，Kc为力与电压之间的关系常数。本文研究的洛仑兹电机是面向精密主动减振技术的，它的主要参数如下表1所示表1洛仑兹电机的主要参数参数单位电阻Rm电感Lm23mH推力常数Kf68N/A运动行程≤20μm运动频率≤200Hz1.2洛

8、仑兹电机的数学模型。从表1中的运动运动行程和运动频率参数得到洛仑兹电机的运动速度很小，其量值不大于，所以可以忽略电机的感应反电动势。洛仑兹电机两端的电压及其线圈电流之间的关系可表达成：(3)式