基于n通道m(xù)osfet的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，涉及一種音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于高壓領(lǐng)域，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)快速反射鏡的控制的問(wèn)題，本發(fā)明主要是針對(duì)音圈電機(jī)工作電壓較低工作頻率高的特點(diǎn)，現(xiàn)今的集成驅(qū)動(dòng)器多專(zhuān)為高工作電壓設(shè)計(jì)，采用四個(gè)N通道MOSFET及相關(guān)器件組成H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該發(fā)明采用邏輯電路避免出現(xiàn)上電時(shí)橋的上下臂導(dǎo)通，采用高速CCD驅(qū)動(dòng)器輸出高頻強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；根據(jù)MOSFET的開(kāi)通及關(guān)閉時(shí)間不同的特點(diǎn)，控制器輸出的驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)避免了在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中上下臂同時(shí)導(dǎo)通；另外對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電順序進(jìn)行了規(guī)定。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具體涉及一種航天應(yīng)用滿足高可靠性要求 的音圈電機(jī)尚速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，頻帶要求較高的快速控制反射鏡大多采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)諧振頻率 可以高達(dá)幾百，甚至上千赫茲，但所需的驅(qū)動(dòng)電壓一般要幾百伏，并且驅(qū)動(dòng)器的行程小，一 般只有十幾到幾十微米。而音圈電機(jī)的行程比壓電陶瓷高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，驅(qū)動(dòng)電壓通常低 于二十伏。音圈電機(jī)（VCM)是通過(guò)考慮揚(yáng)聲器是由根據(jù)在揚(yáng)聲器的音圈中流動(dòng)的音頻電流 和由永磁體產(chǎn)生的磁力之間的弗萊明左手定則所產(chǎn)生的力來(lái)回振動(dòng)的事實(shí)開(kāi)發(fā)的。直流電 機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然而，音圈電機(jī)能進(jìn)行短距離直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因而音圈電機(jī) 可用于快速控制反射鏡。
[0003] 現(xiàn)今的電機(jī)集成橋驅(qū)動(dòng)器如IR2130功能強(qiáng)大，但通常是針對(duì)高壓如最高可達(dá) 600V的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，橋驅(qū)動(dòng)器的工作電壓不低于12V，還需要采用外部電容進(jìn)行H橋柵極電 壓的自舉升壓，當(dāng)電容參數(shù)選擇不合理，可能導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作甚至造成損壞。對(duì)應(yīng)快速控 制反射鏡，需要的力矩小，工作電壓較低如5V，使用應(yīng)用于高壓領(lǐng)域的集成橋驅(qū)動(dòng)器不僅存 在資源浪費(fèi)，還可能出現(xiàn)因反饋電壓過(guò)低導(dǎo)致芯片出現(xiàn)保護(hù)而無(wú)法工作，而且采購(gòu)滿足航 天應(yīng)用要求的低壓應(yīng)用產(chǎn)品困難，因此需要對(duì)音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于高壓領(lǐng)域，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)快速反射鏡的控 制的問(wèn)題，提供一種基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0005] 基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護(hù)電路、集 成驅(qū)動(dòng)器和H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述控制器輸出兩路邏輯信號(hào)Ain和Bin，所述邏輯信號(hào)Ain和 Bin經(jīng)組合邏輯保護(hù)電路處理后獲得驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B，將驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B送入集成 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大后獲得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF 用于驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述H橋驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)對(duì)其兩輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高低電平和占空比 的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)音圈電機(jī)的方向和速度進(jìn)行控制，所述控制器輸出兩路邏輯信號(hào)Ain和Bin 與經(jīng)組合邏輯保護(hù)電路輸出的驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B的關(guān)系滿足關(guān)系：驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A的正 脈沖寬度為XiBin的正脈沖縮短2n倍反相器的延時(shí)時(shí)間，驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)B的正脈沖寬度 為Ain^的正脈沖縮短2n倍反相器的延時(shí)時(shí)間，n為大于等于1的正整數(shù)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_ BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為低時(shí)，則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入為 B_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF為低時(shí)，則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū) 動(dòng)信號(hào)B_BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：
[0007] 一、本發(fā)明通過(guò)嚴(yán)格的上電順序要求和組合邏輯保護(hù)電路，避免上電時(shí)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng) 橋的上下臂導(dǎo)通功耗增大，燒毀器件。
[0008] 二、本發(fā)明通過(guò)僅使用N型MOSFET，電路參數(shù)一致，僅需要兩個(gè)控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn) 低功耗控制，MOSFET的導(dǎo)通電阻小，可降低電機(jī)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗。
[0009] 三、本發(fā)明通過(guò)對(duì)控制器輸出的四路驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)進(jìn)行限定，避免在音圈電機(jī)的 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)橋的上下臂導(dǎo)通功耗增大。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中H橋驅(qū)動(dòng)電 路不意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組合邏輯保護(hù) 電路的不意圖。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0013] 一、結(jié)合圖1至圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，基于N通道MOSFET的音圈電 機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護(hù)電路、集成驅(qū)動(dòng)器和H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述控制 器輸出兩路邏輯信號(hào)Ain和Bin，所述邏輯信號(hào)Ain和Bin經(jīng)組合邏輯保護(hù)電路處理后獲得 驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B，將驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B送入集成驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大后獲得兩路驅(qū) 動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF用于驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述H橋驅(qū) 動(dòng)電路通過(guò)對(duì)其兩輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高低電平和占空比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)音圈電機(jī)的方向和速 度進(jìn)行控制，所述H橋驅(qū)動(dòng)電路，由四個(gè)參數(shù)一致的N通道MOSFET和四個(gè)續(xù)流二極管組成； 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為低時(shí)，則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET 導(dǎo)通，輸入為B_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF為低時(shí)， 則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷。
[0014] 在控制電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，所述的控制器輸出的兩路驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)Ain和Bin應(yīng) 滿足如下條件：Ain和Bin不可同時(shí)為高，而且二者之間的上升沿和下降沿時(shí)間間隔均大于 N型MOSFET的從導(dǎo)通到關(guān)斷的過(guò)渡時(shí)間。
[0015] 本實(shí)施方式所述的H橋驅(qū)動(dòng)器的高壓為VCC(VCC彡15)，低壓為0,對(duì)于下方的兩 只N型的M0SFET，集成驅(qū)動(dòng)器輸出低電平（常態(tài)電平）為0V，高電平為（Vthn+1)的信號(hào)即 可；對(duì)于下方的兩只N型的M0SFET，集成驅(qū)動(dòng)器輸出低電平（常態(tài)電平）為0V，高電平為 VCC的信號(hào)即可，其中Vthn為N型MOSFET的門(mén)限電壓。
[0016] 結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，所述的H橋驅(qū)動(dòng)電路由四個(gè)參數(shù)一致的N通道MOSFET 和四個(gè)續(xù)流二極管組成。H橋驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓可根據(jù)電機(jī)和負(fù)載特性選取，設(shè)定不超過(guò) 15V。根據(jù)N通道MOSFET的工作特性和音圈電機(jī)線圈的直流特性，當(dāng)A_BUF為高（電平等于 VCC，高于MOSFET的門(mén)限電壓），B_BUF為低（電平等于0)，則對(duì)應(yīng)B_BUF輸入的兩個(gè)MOSFET 必關(guān)斷，對(duì)應(yīng)右下的MOSFET必導(dǎo)通，電機(jī)motor的右端為低電平，假定對(duì)應(yīng)左上的MOSFET 關(guān)斷，此時(shí)該MOSFET的源極電壓為其內(nèi)部關(guān)斷電阻和音圈電機(jī)線圈的直流電阻的分壓，由 于音圈電機(jī)的直流電阻遠(yuǎn)小于MOSFET的關(guān)斷電阻，故其源極電壓為低，則該MOSFET必定導(dǎo) 通。由此可知當(dāng)A_BUF為高（電平等于VCC)，B_BUF為低（電平等于0)，則必定輸入為A_ BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入為B_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷；同理，當(dāng)B_BUF為高（電平等 于VCC)，A_BUF為低（電平等于0)，則必定輸入為B_BUF的兩個(gè)M0SFET導(dǎo)通，輸入為A_BUF 的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷。這樣，可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定供電電源電壓VCC (高于MOSFET的門(mén)限電 壓，通常為4V)的值，而且不需要使用外部電容來(lái)進(jìn)行自舉升壓，更不需要和電機(jī)的電抗參 數(shù)進(jìn)行匹配，降低了設(shè)計(jì)難度。
[0017] 結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，采用組合邏輯電路，其作用是避免上電時(shí)由于控制器 的輸出端處于邏輯不確定狀態(tài)或者控制器處理邏輯錯(cuò)誤從而出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋的上下臂導(dǎo)通。輸 出的脈沖寬度的表達(dá)式如式（1)所示，通過(guò)組合邏輯電路的互斥功能保證輸出的A和B不 同時(shí)為高，而且利用門(mén)電路的延遲功能，可給H橋驅(qū)動(dòng)電路留出足夠的死區(qū)時(shí)間。
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護(hù)電路、集 成驅(qū)動(dòng)器和H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述控制器輸出兩路邏輯信號(hào)Ain和Bin，所述邏輯信號(hào)Ain和 Bin經(jīng)組合邏輯保護(hù)電路處理后獲得驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B，將驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B送入集成 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大后獲得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF和B_BUF用 于驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路，所述H橋驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)對(duì)其兩輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高低電平和占空比的 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)音圈電機(jī)的方向和速度進(jìn)行控制，其特征是， 所述控制器輸出兩路邏輯信號(hào)Ain和Bin與經(jīng)組合邏輯保護(hù)電路輸出的驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A和B的關(guān)系滿足關(guān)系：驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)A的正脈沖寬度為的正脈沖縮短2n倍反相器 的延時(shí)時(shí)間，驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)B的正脈沖寬度為Ain^的正脈沖縮短2n倍反相器的延時(shí)時(shí) 間，n為大于等于1的正整數(shù)； 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為低時(shí)，則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入為B_BUF的兩個(gè)MOSFET關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF為高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF為 低時(shí)，則對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)B_BUF的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)A_BUF的兩個(gè)MOSFET 關(guān)斷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制器輸出的兩路驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)Ain和Bin應(yīng)滿足如下條件：Ain和Bin不可同時(shí)為 高，且驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)Ain和Bin的上升沿和下降沿時(shí)間間隔均大于N型MOSFET的從導(dǎo)通到 關(guān)斷的過(guò)渡時(shí)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 所述H橋驅(qū)動(dòng)電路，由四個(gè)參數(shù)一致的N通道MOSFET和四個(gè)續(xù)流二極管組成；H橋驅(qū)動(dòng)電路 的高壓為VCC，低壓為0V，對(duì)于下方的兩只N型的M0SFET，集成驅(qū)動(dòng)器輸出低電平為0V，高 電平為Vthn+1 ;對(duì)于上方的兩只N型的M0SFET，集成驅(qū)動(dòng)器輸出低電平為0V，高電平為VCC， 其中Vthn為N型MOSFET的門(mén)限電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在 于，H橋驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓可根據(jù)電機(jī)和負(fù)載特性選取，設(shè)定不超過(guò)15V。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道MOSFET的音圈電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)的上電順序?yàn)椋和獠康闹骺叵到y(tǒng)進(jìn)行控制器、組合邏輯保護(hù)電路和集成驅(qū)動(dòng)器的上 電，當(dāng)檢測(cè)到控制器、組合邏輯保護(hù)電路和集成驅(qū)動(dòng)器的工作電壓偏差小于5 %，而且控制 器能與主控系統(tǒng)通信，以及集成驅(qū)動(dòng)器輸出能使四只MOSFET都處于關(guān)斷狀態(tài)的固定邏輯 電平后，進(jìn)行H橋驅(qū)動(dòng)電路的上電。
【文檔編號(hào)】H02P7/28GK104506095SQ201410719874
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】余達(dá), 劉金國(guó), 周懷得, 王冶, 王國(guó)良, 周舒, 龔大鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所