基于音圈电机的检测应用

王宝吉

无锡奥特维科技股份有限公司 江苏 无锡 214000

摘要：本文在深入了解音圈电机的结构、特点及工作原理的同时，通过借鉴直流电机运动方式和控制方式，采用双线圈的结构，使得电机可以在X和Z轴两个方向做直线运动；通过借鉴直流电机的控制方法，实现控制、驱动和运动一体化，采用了电流、位置、速度三环及分段控制技术，使其能够在较小空间内进行X和Z轴双轴高精度运动。

关键词：音圈电机；双轴运动；测力机构； 电机驱动

1 引言

音圈电机（Voice Coil Actuator）是一种特殊形式的直接驱动电机，能将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转化机构的传动装置。其原理是：在均匀气隙磁场中放入绕组线圈，绕组线圈通电产生电磁力带动负载作直线往复运动，改变电流的强弱和极性，就可以改变电磁力的大小和方向^{1}。其结构简单、体积小、噪声低、加速度大（超20倍的重力加速度）、响应速度快（毫秒级）、精度高（可达1～5μm）^{1}，与传统机械传动方式比较，降低了生产成本，提高了机组的运动精度，提高了机械效率，改善了机械的综合性能^{2}。近年来，随着音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛应用在精密定位系统和许多不同形式的高加速、高频激励、快速和高精度定位运动系统中^{3}。如：引线键合机、点胶机、IC（集成电路）检测机、光刻机、PCB钻孔机、晶圆的取放及元件检测等多种半导体封装设备中^{4}。2 音圈电机基础原理

2.1基础结构

音圈电机是基于洛伦兹力设计的一种电机，它可以将电能直接转化成机械能而无需任何传动装置。其主要组成部分有永磁体和线圈绕组，简图如图1所示

图1 音圈电机运动结构简图

其工作原理为：线圈绕组通电后产生电流，在永磁体产生的磁场的作用下，产生洛伦兹力，即电磁力F，电磁力推动线圈绕组沿直线方向运动，从而产生直线型推力，力的大小取决去磁场强度大小B，电流大小I，力的方向取决于去磁场以及电流方向。若L为切割磁感线的绕组线圈在磁场中的有效长度，N为绕组线圈的匝数，则作用于线圈上的力为：

（1）

式中K为常数。

当线圈绕组在电磁力的作用下，在磁场中运动，线圈绕组切割磁力线产生感应电动势，感应电动势的方向根据楞次定律总是指向反对线圈电流的方向，因此线圈绕组的反电动势大小为：

（2）

式中令是和速度有关的反电动势系数、为线圈运动速度。

2.2 常用电路结构简图

图2 电路简图

直线音圈电机通电后，绕组线圈两端电压为U，回路产生电流I，此时，绕组R_m会产生电阻压降U_R，线圈磁场运动产生反电动势U_E，线圈电感L_m，会产生感应压降U_L。依据基尔霍夫电压定律，可以得到直线音圈电机的电压平衡方程^{5}：

（4）

将电流和速度换算上式，得：

（5）

2.3 常见的力学模型

根据结构形式的不同，音圈电机的动力学模型可分为两类：1：质量-弹簧-阻尼模型，即MFK型；2：质量-阻尼模型，即MF型。图3为音圈电机的弹簧-质量-阻尼系统的简化模型。

图3 为音圈电机的弹簧-质量-阻尼系统的抽象模型

图中K为弹簧弹性系数，m为绕组线圈动子的质量，c为阻尼系数，x(t)为线圈动子位移，根据牛顿第二定律可得到直线电机的力平衡方程：

　　　　 （2）

式中a为加速度，Ｆ_S为动子所受弹簧力，Ｆ_f为动子所受摩擦力。将各个力的表达式带入，可得到：

（3）

式中 为绕组线圈动子的移动速度^{6}。

3 基于音圈电机的测力系统

由于我们设备要求检测精度高、检测速度快和动作空间有限，因此音圈电机的小体积、快响应、高精度，正好符合我们的设备要求，所以我们根据其特点进行设计。

其结电机构简图如图4所示：

图4 双轴电机结构简图

图中X轴绕组线圈所在的磁场方向和Z轴绕组线圈所在的磁场方向垂直的。按照上图中的电流和磁场方向可知Z轴线圈向上运动，X轴线圈向里运动。

3.1硬件构架

整个系统由搭载主程序及子程序的微处理器、PWM整形及驱动电路、位置检测电路、电流检测电路和保护电路等组成。本文以程序中的位移给定指令为基本输入量，通过PWM模块转换、整形、放大等信号处理以驱动H桥，实现电机的往复运动。

系统结构简图如下图所示：

图5 结构框图

上图1中的总体架构采用的模块化的思想，其各部分功能如下：

（1）上位机部分：整个系统的人机交互部分，用于发送配置参数、接收过程曲线、接收测试结论、显示报警信息等参数。

（2）微处理器部分：整个系统的指挥中心，产生PWM驱动信号，采集位置、电流等信号，对各种信号数据进行分析处理。

（3）反馈部分，是整个系统的神经网络，主要包括电流反馈和位置反馈及其他报警信息。电流反馈通过采样电阻采集，信号需要进行滤波、信号放大、AD转换等处理送到微处理器。位置反馈信号采用光电转换芯片采集，其原理是根据光线照射到芯片上的产生不同电压来表示当前位置，需要先把电流转电压，然后加减乘除运算后把信号送到微处理器。

（4）驱动部分，主要由H桥组成，用小电流去控制大电流以驱动电机运动，还可以改变电机的运动方向，是整个系统的出力部分。

（5）通讯部分，是整个系统的信息交流中心，包括串口通信和I/O通信。串口通信主要用于控制器和上位机之间的信息交互，传输一些配置信息和报警信息；I/O通信主要用于控制器和PLC之间的信息交互，包含启动、停止和报警等信息。

（6）电机部分，整个系统的执行机构。

3.2软件构架

底层软件架构设计合理性直接关系到代码编写的可靠性、复用性、可扩展性以及良好的维护性，其总体架构采用的是一种分层结构、模块化的思想，这种架构具有数据单向传输、低耦合、高可靠性的优点。

软件总体架构框图如下图所示。

图6 软件总体架构框图

下面依据图6对各个软件层进行说明，各部分功能如下：

（1）功能软件层总共包括：

a) MCU驱动层：主要完成MCU内部资源和外设资源的正常启动，根据MCU的资源分配表完成相关寄存器的配置，包括：系统时钟、GPIO配置、ADC配置、定时器配置、中断服务以及串口通信等；

b) 电机控制算法层：保证拉力钩针Z轴音圈电机和X轴音圈电机的位置控制和力矩控制的功能实现。算法层包括：a) PI控制器；b) 数字滤波；c) 补偿算法等，控制算法层要完成电机各项性能满足产品指标要求。

c) 电机控制应用层：该应用层主要为拉力钩针在键合机上使用的应用逻辑而设计的，应用逻辑主要包括：a) 音圈电机的初始化；b) 音圈电机校准；c) 控制模式转换等等。

（2）数据交互层总共包括：

a)底层数据交互层：该层需要MCU驱动层准确向算法层传输电机位置信号、电流信号、温度故障信号、过流故障信号、过压故障信号等，算法层需要向MCU驱动层发送占空比信号等。

b)电机应用数据交互层：电机控制应用层与算法层进行位置指令和电流指令的交互，同时，算法层反馈控制状态给应用层。

c)PLC与控制器数据交互层：该数据层完成PLC向控制器发送控制模式命令，同样控制器向PLC发送拉力钩针的控制状态。

4 动作流程

控制器中控制算法是底层核心内容，算法的合理设计关系整个控制器底层控制、应用层控制的性能和可靠性，控制算法既要保证高效性也要注重简洁性。

当驱动器上电后立即自检，将电机当前位置作为原点，以此原点为基础输入量计算电机行进轨迹坐标。设置X/Z轴的PID参数，启动串口接收，配置H桥输出0V，如果收到执行命令，则微处理器输出驱动信号，使X/Z轴到达指定位置，同时X/Z轴电流、位置反馈信号实时反馈到微处理器，经过一定的算法进行PID调节，最终使X/Z轴位置得以稳定控制，使电机正常运动。

其控制如下图所示：

图7 控制流程简图

5 结束语

音圈电机以其物理结构简单、响应快、力特性平滑、高比推力、高可靠性等优良特性在半导体封装准备中得到广泛应用。本文以电磁感应切入简述了双轴音圈电机的基本原理，以及配套驱动器的硬件结构、软件结构及动作流程。该音圈电机只要稍加修改就可以应用其他空间小精度高的场合。

参考文献

{1} 张大卫，冯晓梅 . 音圈电机的原理[J] . 中北大学学报，自然科学版，2006，（3）

{2} 曾勇，邹远文，李晋升，黄学进. 动态负载下音圈电机控制模式设计及应用. 自动化技术与应用. 2016年. 第12期

{3} 邓耀初，高驰名，吴星荣，刘亚琴.基于DSP的音圈电机伺服控制

{4} 张新华 . 三相6/4极开关磁阻电机参数设计与有限元分析[J]. 微电机，2010,4（12）

{5} 尹训锋，潘松峰，刘朔，尹峰松 . 基于力补偿控制的音圈电机的力/位控制系统的研究 . 自动化与仪表 . 2016年. 第10期

{6} 兴连国，周惠兴，侯书林，曹荣敏 . 音圈电机研究及应用综述. 微机电，2011，8 （8）