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(fā)了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設備?；贏RMCortex 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(jié)構(gòu)的組成，研究結(jié)果表明：設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。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。

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(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(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)應用于軍事、航天、航海等領域、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(nèi)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(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和運動機構(gòu)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(gòu)

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(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(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，設置PA13為DIR信號輸出。

2.2電機驅(qū)動電路設計

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DlR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STM32F1 03VCT6產(chǎn)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(tǒng)中一個或多個輸出量產(chǎn)生影響的結(jié)果，其特征是開環(huán)作用路徑，即控制鏈路?！罢{(diào)節(jié)”是在一個系統(tǒng)中，對被調(diào)節(jié)量連續(xù)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?shù)囊饬x上對該被調(diào)量產(chǎn)生影響的過程，其特征是閉環(huán)作用路徑，即調(diào)節(jié)回路。音圈電機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音圈電機速度環(huán)

驅(qū)動器速度環(huán)以位置為調(diào)整目標，時刻檢測音圈電機的位置信息，進而調(diào)整速度。因為現(xiàn)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(shù)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(xiàn)速度閉環(huán)。如圖6。

3.2音圈電機電流環(huán)

電流閉環(huán)模式下驅(qū)動器以轉(zhuǎn)矩為調(diào)整目標，使得電機能以最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動。電流環(huán)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(jié)果分析

4.1開環(huán)測試

音圈電機在開環(huán)控制下，輸入階躍信號，輸出跟隨的能力如圖7。

在開環(huán)控制下，音圈電機超調(diào)量為20%，響應速度慢，所以無法滿足系統(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(huán)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(diào)量

5 結(jié)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(wěn)態(tài)調(diào)整誤差為土1count，最大速度：6m/s，最大加速度59。最終實現(xiàn)了音圈電機的高加速、高速度、高響應等特性。

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