音圈電機伺服驅動(dòng)器與運動(dòng)機構設計

摘要：為滿(mǎn)足一類(lèi)音圈直流伺服電機的高速振動(dòng)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備?；贏(yíng)RMCortex 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(mǎn)足位置超調量小于10 counts，穩態(tài)調整誤差為土1 count的系統參數指標。實(shí)現了音圈電機高速振動(dòng)下控制器對光柵傳感器實(shí)時(shí)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(dòng)定位精度的控制。

　　隨著(zhù)運動(dòng)伺服控制技術(shù)的迅速發(fā)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(jué)、智能彈藥電動(dòng)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應用于軍事、航天、航海等領(lǐng)域，控制精度可以達到納米級。國內一直停留在科研院校研究階段，在實(shí)際工程應用上與國外相比還有差距，這個(gè)差距不僅表現在技術(shù)上，國內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(zhù)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(diǎn)是實(shí)現了驅動(dòng)系統、控制系統和運動(dòng)機構的一體化設計，通過(guò)三閉環(huán)控制、分段控制等，實(shí)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(lái)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(chǎng)強度為B，電流為I，線(xiàn)圈的匝數為N，k為常數。通過(guò)給線(xiàn)圈供電，線(xiàn)圈帶動(dòng)執行機構直線(xiàn)運動(dòng)。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(huán)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(lǐng)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(chǎn)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(dòng)電路設計

　　音圈電機伺服系統采用PWM方式調速，驅動(dòng)器可以采用分立元件晶體管或者M(jìn)OS管來(lái)搭建H橋電路，經(jīng)過(guò)反復試驗，自己搭建的H橋電路不夠穩定，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(guò)H橋集成芯片LMD18200放大，進(jìn)一步控制音圈電機的運動(dòng)。

　　在本系統中，通過(guò)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L(cháng)MD18200的原理圖。

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