音圈電機伺服驅動器與運動機構設計

王可寧 田建平 張夢嬌

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，研發了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設備。基于ARMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設計了音圈直流伺服電機控制系統。分析了該伺服系統結構的組成，研究結果表明：設計的高精度位置伺服系統，能滿足位置超調量小于10 counts，穩態調整誤差為土1 count的系統參數指標。實現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整，完成對音圈電機的高速振動定位精度的控制。

關鍵詞：音圈電機；伺服控制；PID；PWM

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.018

隨著運動伺服控制技術的迅速發展，音圈電機伺服控制系統應用于在高速、高頻精密定位系統：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發展很多年，特別是德國、美國、日本已經把音圈電機伺服控制系統應用于軍事、航天、航海等領域、控制精度可以達到納米級。國內一直停留在科研院校研究階段，在實際工程應用上與國外相比還有差距，這個差距不僅表現在技術上，國內傳感器的精度還不高，也是制約我國這方面技術的瓶頸。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展之中^{[2-3]。本課題的創新點是實現了驅動系統、控制系統和運動機構的一體化設計，通過三閉環控制、分段控制等，實現了位置的精確控制。}

1 音圈電機原理和機構

音圈電機是基于洛倫茲力設計出來的，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J，線圈的匝數為N，k為常數。通過給線圈供電，線圈帶動執行機構直線運動。如圖1所示、是音圈電機的機械結構。

2 音圈電機的控制系統

音圈電機伺服系統的構成包含執行器、控制器、反饋裝置等部分，如圖2。

2.1音圈電機控制器

音圈電機閉環控制系統的核心就是控制器STM32F103VCT6，它是一款高性能的微控制器，在電機控制領域的應用非常廣泛^[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，讀取編碼器的旋轉產生的脈沖數，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，設置PA13為DIR信號輸出。

2.2電機驅動電路設計

音圈電機伺服系統采用PWM方式調速，驅動器可以采用分立元件晶體管或者MOS管來搭建H橋電路，經過反復試驗，自己搭建的H橋電路不夠穩定，發熱量大，最后采用功率集成芯片H橋組件LMD18200 ^[10]，STM32輸出的PWM信號和DlR信號經過H橋集成芯片LMD18200放大，進一步控制音圈電機的運動。

在本系統中，通過STM32F1 03VCT6產生控制信號，控制信號包括PWM信號、DIR1言號和BRANKE信號。如圖4所示為LMD18200的原理圖。

3 音圈電機的控制策略

“控制”可以定義為一個系統中一個或多個輸出量產生影響的結果，其特征是開環作用路徑，即控制鏈路。“調節”是在一個系統中，對被調節量連續不斷地進行檢測，與基準量進行比較，并從與基準量平衡補償的意義上對該被調量產生影響的過程，其特征是閉環作用路徑，即調節回路。音圈電機伺服控制采用兩閉環控制，內環為速度流環，外環為位置環。如圖5所示。

3.1音圈電機速度環

驅動器速度環以位置為調整目標，時刻檢測音圈電機的位置信息，進而調整速度。因為現實中電機準確定位，用固定占空比控制會導致電機速度隨著負載的變化而變化。選用MicroE公司的光柵尺作為反饋回路的反饋傳感器。MicroEMTE系列微型讀數頭，增強型的分辨率0.5μm，標準型的分辨率為1μm。對速度反饋量做PID算法占空比可以實現速度閉環。如圖6。

3.2音圈電機電流環

電流閉環模式下驅動器以轉矩為調整目標，使得電機能以最大轉矩轉動。電流環的作用主要是2個，一是啟動過程的加速，二是對電機最大工作電流的保護。

4 實驗結果分析

4.1開環測試

音圈電機在開環控制下，輸入階躍信號，輸出跟隨的能力如圖7。

在開環控制下，音圈電機超調量為20%，響應速度慢，所以無法滿足系統的控制精度的要求，所以考慮用閉環控制。

4.2閉環測試

音圈電機在做高速時的速度曲線和位置曲線如圖8。

在閉環控制下，音圈電機的速度為200mm/s，加速度為5m/s²，位移量為8000個counts。位置超調量

5 結論

本文采用STM32F103VCT6作為控制器，運用PID算法對音圈電機位置進行了精確控制，最大電流為3A，穩態調整誤差為土1count，最大速度：6m/s，最大加速度59。最終實現了音圈電機的高加速、高速度、高響應等特性。

參考文獻：

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