音圈电机主动抗振系统设计与仿真、分析

洪波

杭州谱育科技发展有限公司  

摘要：随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展。低频微振动是其中极其重要的一个研究课题，它对精密仪表的正常工作有着重要的影响。世界许多国家均高度重视，并投入大量的人力物力加以研究。在主动抗振领域，采用音圈电机对低频微振动具有明显的优势。它具有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快、线性力一行程优良等特性，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景。本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、分析。

关键字：主动隔振音圈电机PID

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随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展。低频微振动是其中极其重要的一个研究课题，它对精密仪表的正常工作有着重要的影响。世界许多国家均高度重视，并投入大量的人力物力加以研究。在主动抗振领域，采用音圈电机对低频微振动具有明显的优势。它具有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快、线性力一行程优良等特性，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景。

本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、分析。

文中针对隔离对象进行了混合隔振系统算法的研究，提出一套音圈电机应用到隔振系统振动主动控制的方案，采用了先进的机电一体化PID控制算法，并利用Matlab软件进行了仿真分析。仿真结果表明，相对于被动隔振系统，加入主动控制的混合振动隔离系统的隔振性能得到了极大的提高。

近年来，随着对高速，高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘，激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速，高频激励上也得到广泛应用，如，光学系统中透镜的定位；机械工具的多坐标定位平台；医学装置中精密电子管，真空管控制；在柔性机器人中，为使末端执行器快速，精确定位，还可以用音圈电机有效地抑制振动。

一、音圈电机主动抗振系统设计与分析

目前国内外对音圈电机控制的研究主要针对直线音圈电机的位置控制。天津大学的赵兴玉、张胜泉等在对音圈电机驱动XY平台的控制中，分别设计了由内环电流控制器、外环位置控制器、前置滤波器、前馈控制器、重复控制器和扰动观测器组成的控制器，使平台的具有良好的动态特性；美国的Alex Babinski[12]和Tsu-Chin Tsao[13]在对音圈电机的伺服控制中引入了加速度环，由此构成的位置反馈环和加速度前馈控制器，使得系统相比无加速度前馈的系统，性能提高了5倍；中国台湾的T.S.Liu和W.K.Chang[12]把基于强化学习的模糊控制器引入到对VCM的控制中，改善了VCM的跟踪性能；新加坡国立大学的程国扬和清华大学金文光在VCM驱动硬盘磁头快速精确定位伺服控制系统的设计中，采用一种复合非线性反馈控制技术，提高控制系统的瞬态性能，并通过设计一个降阶观测器对伺服系统中的未知扰动进行估计及补偿，清除扰动可能带来的稳态跟踪误差；K. S. Ananthanarayanan[13]在考虑音圈电机电感的条件下提出了一种包括三阶多项式和时间优化控制的算法，性能曲线表明，设计者可以选择合适的系统惯量，使系统达到理想的响应时间；美国的Matthew Loh和Yih-Choung Yu[12]针对音圈电机在倒电容模拟循环系统中的应用，设计了非线性模型的控制器，并对其进行了模拟仿真。

本设计的主要任务就是减小或者消除振动对隔振平台的影响，此次设计是混合隔振系统，即分为被动隔振和主动隔振，空气弹簧减小或者消除高频振动的影响，当低频微振动对平台有影响时，使用主动隔振系统，即利用音圈电机减小和消除低频振动。先分析空气弹簧隔振的作用，用Matlab进行仿真；当低频振动输入时，假设激励为正弦输入，进行系统分析，并用Matlab软件中的Simulink进行仿真；整个系统电路的设计，传感器的选择电容式加速度传感器，放大电路，滤波电路；分析音圈电机的原理和电容式传感器的原理。

二、直线音圈电机原理

1、直线音圈电机

直线音圈电机(以下简称音圈电机)是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机。它基于安培力原理，即通电线圈放在磁场中产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成正比。音圈电机在理论上有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小且力特性好、控制方便等一系列优点，使它更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位的控制系统中。现代磁盘驱动器、光盘驱动器以及一些高精度的定位系统执行机构都采用音圈电机来驱动。因此，对这类电机如何进行驱动，满足要求的精度和频响、特定的工作环境，是目前探索的热点课题。

2、一维系统驱动原理图

系统采用音圈电机直接驱动，采用独特的联轴系统刚性连接。音圈电机内自带光栅尺和PID编码器。驱动原理图如图2.1所示[8]

图2.1驱动原理图

三、计算机仿真结果

此次设计的主要目就是要减小或者消除振动对隔振平台的影响，本设计是混合隔振系统，即分为被动隔振和主动隔振，空气弹簧减小或者消除高频振动的影响，当低频微振动对平台有影响时，使用主动隔振系统，即利用音圈电机减小和消除低频振动。先分析空气弹簧隔振的作用，用Matlab进行仿真；当低频振动输入时，假设激励为正弦输入，进行系统分析，并用Matlab软件中的Simulink进行仿真。

由以下4.1，4.2两图可知传感器的输出经放大后，由于Matlab本身算法的原因，刚开始波形出现跳动，而后的输出良好。

图3.1传感器输出Simulink图

图4.2传感器的输出波形

由以下3.3，3.4两图可得到，跳动再次叠加，而振幅输出变大，虽然可通过放大器进行调节，但是初始输出响应太差，影响音圈电机工作。

图3.3无PID控制Simulink图

图3.4无PID控制的输出波形

由以下3.5，3.6两图可得到，由于PID的校正，跳动时间明显减少，振幅输出为稳定，由此可知P校正能快速响应，而I积分校正可以使波形跟随时间减少。

图3.5 PID控制Simulink图

图3.6 PID控制的输出波形

由以下示波器4.8，4.9两图可得到，闭环控制振幅明显减少，达到预期效果。

图3.7闭环控制Simulink图

图3.8闭环控制的输出波形

图3.9闭环控制的输出波形

由以上模拟结果可知，如果系统再加上滤除噪声的结构，效果会更好。

四、结论

为了减弱或者消除环境振动对高精度平台的影响，本文进行了对振动隔离的研究，采用空气弹簧进行被动隔振，采用音圈电机作为驱动器实现主动隔振。由于时间和条件所限，对于振动的被动隔离和主动隔离本文只进行了理论分析。在此设计中结论总结如下：

2）由以上3.1，3.2两图可知传感器的输出经放大后，由于Matlab本身算法的原因，刚开始波形出现跳动，而后的输出良好。

3）由以上3.3，3.4两图可得到，跳动再次叠加，而振幅输出变大，虽然可通过放大器进行调节，但是初始输出响应太差，影响音圈电机工作。

4）由以上3.5，3.6两图可得到，由于PID的校正，跳动时间明显减少，振幅输出为稳定，由此可知P校正能快速响应，而I积分校正可以使波形跟随时间减少。

5）由以上示波器3.8，3.9两图可得到，闭环控制振幅明显减少，达到预期效果。

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[参考文献]

[1] 盛美萍, 王敏庆. 噪声与振动控制技术基础 [M]. 北京：科学出版社,  2007：82-84

[2] 李耀中, 李东升. 噪声控制技术 [M]. 北京：化学工业出版社,  2008：72-82

[3] 张国雄. 测控电路 [M]. 北京：机械工业出版社,  2008：27-29

[4] 邹伯敏. 自动控制理论 [M]. 北京：机械工业出版社,  2001：260-264

[5] 郭一楠, 常俊林. 过程控制系统 [M]. 北京：机械工业出版社,  2009：113-138

[6] 唐文彦. 传感器 [M]. 北京：机械工业出版社,  2008：67-89

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