音圈電機伺服驅動器與運動機構設計

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(tǒng)。分析了該伺服系統(tǒng)結構的組成，研究結果表明：設計的高精度位置伺服系統(tǒng)，能滿足位置超調量小于10 counts，穩(wěn)態(tài)調整誤差為土1 count的系統(tǒng)參數(shù)指標。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的迅速發(fā)展，音圈電機伺服控制系統(tǒng)應用于在高速、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發(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)展之中^[2-3]。本課題的創(chuàng)新點是實現(xiàn)了驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和運動機構的一體化設計，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

　　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(tǒng)

　　音圈電機伺服系統(tǒng)的構成包含執(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(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(tǒng)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(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。