王可寧 田建平 張夢(mèng)嬌

摘要：為滿足一類音圈直流伺服電機(jī)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(jī)高精度位置定位設(shè)備?；贏RMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設(shè)計(jì)了音圈直流伺服電機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)了音圈電機(jī)高速振動(dòng)下控制器對(duì)光柵傳感器實(shí)時(shí)采集并且高速處理，以及對(duì)音圈電機(jī)位置的快速調(diào)整，完成對(duì)音圈電機(jī)的高速振動(dòng)定位精度的控制。

關(guān)鍵詞：音圈電機(jī)；伺服控制；PID；PWM

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.018

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

音圈電機(jī)伺服控制在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展很多年，特別是德國(guó)、美國(guó)、日本已經(jīng)把音圈電機(jī)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(dá)到納米級(jí)。國(guó)內(nèi)一直停留在科研院校研究階段，在實(shí)際工程應(yīng)用上與國(guó)外相比還有差距，這個(gè)差距不僅表現(xiàn)在技術(shù)上，國(guó)內(nèi)傳感器的精度還不高，也是制約我國(guó)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(jī)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(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)三閉環(huán)控制、分段控制等，實(shí)現(xiàn)了位置的精確控制。}

1 音圈電機(jī)原理和機(jī)構(gòu)

音圈電機(jī)是基于洛倫茲力設(shè)計(jì)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(qiáng)度為B，電流為J，線圈的匝數(shù)為N，k為常數(shù)。通過(guò)給線圈供電，線圈帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)。如圖1所示、是音圈電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2 音圈電機(jī)的控制系統(tǒng)

音圈電機(jī)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(jī)控制器

音圈電機(jī)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(jī)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(hào)輸出，設(shè)置PA13為DIR信號(hào)輸出。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

音圈電機(jī)伺服系統(tǒng)采用PWM方式調(diào)速，驅(qū)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(fù)試驗(yàn)，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(hào)和DlR信號(hào)經(jīng)過(guò)H橋集成芯片LMD18200放大，進(jìn)一步控制音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

在本系統(tǒng)中，通過(guò)STM32F1 03VCT6產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)包括PWM信號(hào)、DIR1言號(hào)和BRANKE信號(hào)。如圖4所示為L(zhǎng)MD18200的原理圖。

3 音圈電機(jī)的控制策略

“控制”可以定義為一個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)輸出量產(chǎn)生影響的結(jié)果，其特征是開(kāi)環(huán)作用路徑，即控制鏈路?！罢{(diào)節(jié)”是在一個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)被調(diào)節(jié)量連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測(cè)，與基準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并從與基準(zhǔn)量平衡補(bǔ)償?shù)囊饬x上對(duì)該被調(diào)量產(chǎn)生影響的過(guò)程，其特征是閉環(huán)作用路徑，即調(diào)節(jié)回路。音圈電機(jī)伺服控制采用兩閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為速度流環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。如圖5所示。

3.1音圈電機(jī)速度環(huán)

驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)以位置為調(diào)整目標(biāo)，時(shí)刻檢測(cè)音圈電機(jī)的位置信息，進(jìn)而調(diào)整速度。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中電機(jī)準(zhǔn)確定位，用固定占空比控制會(huì)導(dǎo)致電機(jī)速度隨著負(fù)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(shù)頭，增強(qiáng)型的分辨率0.5μm，標(biāo)準(zhǔn)型的分辨率為1μm。對(duì)速度反饋量做PID算法占空比可以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。如圖6。

3.2音圈電機(jī)電流環(huán)

電流閉環(huán)模式下驅(qū)動(dòng)器以轉(zhuǎn)矩為調(diào)整目標(biāo)，使得電機(jī)能以最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)。電流環(huán)的作用主要是2個(gè)，一是啟動(dòng)過(guò)程的加速，二是對(duì)電機(jī)最大工作電流的保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1開(kāi)環(huán)測(cè)試

音圈電機(jī)在開(kāi)環(huán)控制下，輸入階躍信號(hào)，輸出跟隨的能力如圖7。

在開(kāi)環(huán)控制下，音圈電機(jī)超調(diào)量為20%，響應(yīng)速度慢，所以無(wú)法滿足系統(tǒng)的控制精度的要求，所以考慮用閉環(huán)控制。

4.2閉環(huán)測(cè)試

音圈電機(jī)在做高速時(shí)的速度曲線和位置曲線如圖8。

在閉環(huán)控制下，音圈電機(jī)的速度為200mm/s，加速度為5m/s²，位移量為8000個(gè)counts。位置超調(diào)量

5 結(jié)論

本文采用STM32F103VCT6作為控制器，運(yùn)用PID算法對(duì)音圈電機(jī)位置進(jìn)行了精確控制，最大電流為3A，穩(wěn)態(tài)調(diào)整誤差為土1count，最大速度：6m/s，最大加速度59。最終實(shí)現(xiàn)了音圈電機(jī)的高加速、高速度、高響應(yīng)等特性。

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