音圈電機伺服驅(qū)動器與運動機構(gòu)設(shè)計

摘要：為滿足一類音圈直流伺服電機的高速振動定位精度工作的精度需求，研發(fā)了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設(shè)備?；贏RMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設(shè)計了音圈直流伺服電機控制系統(tǒng)。分析了該伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成，研究結(jié)果表明：設(shè)計的高精度位置伺服系統(tǒng)，能滿足位置超調(diào)量小于10 counts，穩(wěn)態(tài)調(diào)整誤差為土1 count的系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)。實現(xiàn)了音圈電機高速振動下控制器對光柵傳感器實時采集并且高速處理，以及對音圈電機位置的快速調(diào)整，完成對音圈電機的高速振動定位精度的控制。

　　隨著運動伺服控制技術(shù)的迅速發(fā)展，音圈電機伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于在高速、高頻精密定位系統(tǒng)：機器人觸覺、智能彈藥電動舵機、航空航天相機像面掃描等^[1]。

　　音圈電機伺服控制在國外已經(jīng)發(fā)展很多年，特別是德國、美國、日本已經(jīng)把音圈電機伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于軍事、航天、航海等領(lǐng)域，控制精度可以達到納米級。國內(nèi)一直停留在科研院校研究階段，在實際工程應(yīng)用上與國外相比還有差距，這個差距不僅表現(xiàn)在技術(shù)上，國內(nèi)傳感器的精度還不高，也是制約我國這方面技術(shù)的瓶頸。最近幾年，隨著科研單位的足夠重視，音圈電機的伺服控制還在不斷發(fā)展之中^[2-3]。本課題的創(chuàng)新點是實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和運動機構(gòu)的一體化設(shè)計，通過三閉環(huán)控制、分段控制等，實現(xiàn)了位置的精確控制。

1 音圈電機原理和機構(gòu)

　　音圈電機是基于洛倫茲力設(shè)計出來的，其工作原理為洛倫茲力原理^[4]：F=kBLIN 。

　　其中洛倫茲力為F，磁場強度為B，電流為I，線圈的匝數(shù)為N，k為常數(shù)。通過給線圈供電，線圈帶動執(zhí)行機構(gòu)直線運動。如圖1所示，是音圈電機的機械結(jié)構(gòu)。

2 音圈電機的控制系統(tǒng)

　　音圈電機伺服系統(tǒng)的構(gòu)成包含執(zhí)行器、控制器、反饋裝置等部分，如圖2。

2.1 音圈電機控制器

　　音圈電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心就是控制器STM32F103VCT6，它是一款高性能的微控制器，在電機控制領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[8-9]。其引腳圖如圖3所示。

　　本文采用STM32F103VCT6的TIM3作為編碼器接口，讀取編碼器的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)， TIM3的CH1(PA6)作為編碼器1的A相的輸入，CH2(PA7)作為編碼器2的B相的輸入。TIM1的CH4(PA11)作為PWM信號輸出，設(shè)置PA13為DIR信號輸出。

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

　　音圈電機伺服系統(tǒng)采用PWM方式調(diào)速，驅(qū)動器可以采用分立元件晶體管或者MOS管來搭建H橋電路，經(jīng)過反復(fù)試驗，自己搭建的H橋電路不夠穩(wěn)定，發(fā)熱量大，最后采用功率集成芯片H橋組件LMD18200^[10]，STM32輸出的PWM信號和DIR信號經(jīng)過H橋集成芯片LMD18200放大，進一步控制音圈電機的運動。

　　在本系統(tǒng)中，通過STM32F103VCT6產(chǎn)生控制信號，控制信號包括PWM信號、DIR信號和BRANKE信號。如圖4所示為LMD18200的原理圖。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。