音圈電機(微特電機)

1、華僑大學廈門工學院電氣工程系課程設計報告課 程 名 稱： 音圈電機的應用 院 系： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 2009級電氣工程及其自動化7班 學 號： 090210700 姓 名： 指 導 老 師： 2012 年12月9 日目錄一、課程設計的意義 31.1研究意義31.2研究內容3二、音圈電機的主要結構42.1傳統(tǒng)結構形式42.2集中通量結構形式42.3磁力交叉存取結構形式5三、音圈電機的工作原理63.1 磁學原理63.2電子學原理73.3機械原理7四、實例：基于音圈電機的力_位控制及應用4.1 引言84.2 芯片的放置控制要求84.3 軟著陸實現(xiàn)方式84.4 基于

2、LAC-1控制器的音圈電機軟著陸的實現(xiàn)104.5 基于Tutbo PMAC的音圈電機軟著陸的實現(xiàn)114.6 本章小結12一、 課程設計的意義1. 1研究意義微特電機及系統(tǒng)的學習，重在學習各種各樣的電能、機械能相互轉換的實現(xiàn)方法。學完之后，應該能用所學的知識分析生產(chǎn)生活中的各種應用，甚至在以后的工作中，研制更先進的電機來解決一些實際應用難題。隨著我國精密儀器制造、測量的發(fā)展，其相關技術的要求也不斷提高。其中低頻微振動是其中極其重要的一個研究課題，它對精密儀表的正常工作有著重要的影響。世界許多國家均高度重視，并投入大量的人力物力加以研究。在主動抗振領域，采用音圈電機對低頻微振動具有明顯的優(yōu)勢。它具

3、有結構簡單、體積小、高速、高加速度、響應快、線性力一行程優(yōu)良等特性，在精密儀表領域有著廣泛地研究前景。1. 2研究內容 在本文中，主動隔振系統(tǒng)對于低頻、微幅振動的控制，振動信號的測量，選用PCB公司的型號為M355BO4測量高頻信號，型號為M393B31測量低頻信號。在國內外將音圈電機用于精密隔振系統(tǒng)作為控制器并不多見。由于受到傳感器低頻測量范圍的限制，在低頻精密主動隔振技術方面的研究較少。音圈電機 (VoiceCoilActuator)是一種將電信號轉換成直線位移的直流伺服電機，具有結構簡單、體積小、高速、高加速度、響應快等特性16一，“。為此，本文提出了利用音圈電機作為控制器，將被動和主動

4、隔振技術結合應用，利用被動隔振系統(tǒng)作為隔振平臺的音圈電機低頻精密主動隔振系統(tǒng)?；谏鲜龅乃枷耄疚膶⒃谝韵聨讉€方面進行研究:1、對被動隔振及主動隔振的隔振機理進一步深入地研究。被動隔振系統(tǒng)為傳統(tǒng)的隔振手段，具有方法簡單，可靠性高的特點。常用的被動隔振系統(tǒng)多為單級或兩級隔振系統(tǒng)，當所選隔振器件的參數(shù)相同時，兩級隔振系統(tǒng)的隔振性能要優(yōu)于單級隔振系統(tǒng)。不論是單級隔振系統(tǒng)還是兩級隔振系統(tǒng)，所選隔振器件的自振頻率對隔振系統(tǒng)的隔振性能具有決定性的作用。2、研究提出針對微納米測量對環(huán)境振動要求振動的隔離方案，采用音圈電機作為驅動器實現(xiàn)主動隔振。3、對所設計的隔振系統(tǒng)進行了被動隔振隔離效果的測試與分析和主動隔

5、振效果仿真與分析。4、對用于施加振動主動控制力的音圈電機及其安裝方式進行了研究。5、分別采用模糊PID控制算法、小波變換算法，對隔振系統(tǒng)進行主動隔振的仿真分析研究。6、 針對主動隔振系統(tǒng)選型的音圈電機，設計驅動電路。二、音圈電機的主要結構2.1傳統(tǒng)結構形式如圖2所示，在音圈電機的傳統(tǒng)結構中，有一個圓柱狀線圈，圓柱中心桿與包圍在中心桿周圍的永久磁體形成的氣隙，在磁體和中心桿外部罩有一個軟鐵殼。線圈在氣隙內沿圓柱軸向運動。圖4為此傳統(tǒng)結構音圈電機的軸測圖。依據(jù)線圈行程，線圈的軸向長度可以超出磁鐵軸向長度，即長音圈結構。而有時根據(jù)行程，磁體又可以比線圈長，即短音圈結構。長音圈結構中的音圈長度要大于工

6、作氣隙長度與最大行程長度之和；而短音圈結構中的工作氣隙長度大于音圈長度與最大行程長度之和。長音圈結構充分利用了磁密，但由于音圈中只有一部分線圈處于工作氣隙中，所以電功率利用不足；短音圈結構則正好相反。兩種結構相比，前者可以允許較小的磁鐵系統(tǒng)，因此音圈電機的體積也可以比較??；后者則體積較大，但功耗較小，可以允許較大音圈電流。與短線圈配置相比，長音圈配置可以提供更好的力2功率比，且散熱好。而短音圈配置電時間延時較短，質量較小，且產(chǎn)生的電樞反動力小。2.2 集中通量結構形式在運動控制中，有時需要的力比傳統(tǒng)移動音圈電機所能提供的力要大，傳統(tǒng)結構形式的音圈電機不能滿足要求。為解決此問題，需要提高音圈電機

7、工作效率，為此應合理設計其結構，盡量減少磁路漏磁。設計音圈電機時總是希望磁鋼的磁力線盡可能多地通過氣隙，以提高氣隙磁密，從而產(chǎn)生盡可能大的磁力。采用集中磁通技術，能夠使制造的電機氣隙磁密等于甚至大于磁體中的剩余量?；谠摷夹g的電機內部是一個一端封閉的空心圓柱磁鐵（見圖5）。圓柱內部形成N極，圓柱的外部形成S極。緊貼磁體外部由一個也有一端封閉的軟鐵圓柱殼罩住，軟鐵殼的開口端伸出磁體開口端。由軟鐵制成的圓柱芯在磁體內部緊緊貼合，并從其開口端伸出。殼的內表面與圓柱芯的外表面之間的環(huán)形空間形成氣隙，圓柱狀線圈可在氣隙中沿軸向運動。該電機結構形式允許磁體面大于氣隙面。這樣的設計不會引起泄漏，幾乎從磁體表

8、面發(fā)出的所有磁力線都通過氣隙。2.3 磁力交叉存取結構形式若要求在盡可能小的直徑情況下，獲得最高輸出力，可采用專有的交叉存取磁電路技術。與傳統(tǒng)結構以及集中磁通量結構相比，其性能特性不變，而軸向尺寸更長，但直徑尺寸減小，其磁體質量較小，但線圈趨于更重。交叉存取磁電路音圈的突出優(yōu)點是線圈漏感較小，電時間延遲非常短。三、音圈電機的原理3.1磁學原理音圈電機的工作原理是依據(jù)安培力原理，即通電導體放在磁場中，就會產(chǎn)生力F，力的大小取決于磁場強弱B ，電流I，以及磁場和電流的方向（見圖1）。如果共有長度為L的N根導線放在磁場中, 則作用在導線上的力可表示為F=Kblin， (1)式中k為常數(shù)。由圖1可知，

9、力的方向是電流方向和磁場向量的函數(shù)，是二者的相互作用。如果磁場和導線長度為常量，則產(chǎn)生的力與輸入電流成比例。在最簡單的音圈電機結構形式中，直線音圈電機就是位于徑向電磁場內的一個管狀線圈繞組（見圖2）。 鐵磁圓筒內部是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，這樣的布置可使貼在線圈上的磁體具有相同的極性。鐵磁材料的內芯配置在線圈軸向中心線上，與永久磁體的一端相連，用來形成磁回路。當給線圈通電時，根據(jù)安培力原理，它受到磁場作用，在線圈和磁體之間產(chǎn)生沿軸線方向的力。通電線圈兩端電壓的極性決定力的方向。將圓形管狀直線音圈電機展開，兩端彎曲成圓弧，就成為旋轉音圈電機。旋轉音圈電機力的產(chǎn)生方式與直線音圈電機類似。只是旋轉音圈

10、電機力是沿著弧形圓周方向產(chǎn)生的，輸出轉矩見圖3。3.2 電子學原理音圈電機是單相兩極裝置。給線圈施加電壓則在線圈里產(chǎn)生電流，進而在線圈上產(chǎn)生與電流成比例的力，使線圈在氣隙內沿軸向運動。通過線圈的電流方向決定其運動方向。當線圈在磁場內運動時，會在線圈內產(chǎn)生與線圈運動速度、磁場強度、和導線長度成比例的電壓（即感應電動勢）。驅動音圈電機的電源必須提供足夠的電流滿足輸出力的需要，且要克服線圈在最大運動速度下產(chǎn)生的感應電動勢，以及通過線圈的漏感壓降。3.3機械系統(tǒng)原理 音圈電機經(jīng)常作為一個由磁體和線圈組成的零部件出售. 線圈與磁體之間的最小氣隙通常是（0.254 - 40. 381）mm，根據(jù)需要此氣隙

11、可以增大，只是需要確定引導系統(tǒng)允許的運動范圍，同時避免線圈與磁體間摩擦或碰撞。多數(shù)情況下，移動載荷與線圈相連，即動音圈結構。其優(yōu)點是固定的磁鐵系統(tǒng)可以比較大，因而可以得到較強的磁場；缺點是音圈輸電線處于運動狀態(tài)，容易出現(xiàn)斷路的問題。同時由于可運動的支承，運動部件和環(huán)境的熱接觸很惡劣，動音圈產(chǎn)生的熱量會使運動部件的溫度升高，因而音圈中所允許的最大電流較小。 當載荷對熱特別敏感時，可以把載荷與磁體相連，即固定音圈結構。該結構線圈的散熱不再是大問題，線圈允許的最大電流較大，但為了減小運動部分的質量，采用了較小的磁鐵，因此磁場較弱。直線音圈電機可實現(xiàn)直接驅動，且從旋轉轉為直線運動無后沖、也沒有能量損失

12、。優(yōu)選的引導方式是與硬化鋼軸相結合的直線軸承或軸襯?？梢詫⑤S/軸襯集成為一個整體部分。重要的是要保持引導系統(tǒng)的低摩擦，以不降低電機的平滑響應特性。典型旋轉音圈電機是用軸/球軸承作為引導系統(tǒng)，這與傳統(tǒng)電機是相同的。旋轉音圈電機提供的運動非常光滑，成為需要快速響應、有限角激勵應用中的首選裝置。比如萬向節(jié)裝配中。4、 實例：基于音圈電機的力_位控制及應用4. 1引言 音圈電機在整個貼片過程中將主要完成拾片、旋轉、放置三個動作。在第3章中己經(jīng)介紹了利用Turbo PMAC對音圈電機的位置控制來實現(xiàn)前兩個動作的方法。對于放置 (貝占片)動作，由于音圈電機所帶的貼裝頭與芯片之間存在擠壓，較大的力沖擊容易使

13、芯片發(fā)生裂紋，造成芯片與天線互連的失效。因此，單純的位置控制不能滿足貼片的要求，還必須對接觸力進行控制，即力/位混合控制，也稱軟著陸控制。 在這一章中，通過使用SMAC公司的LAC-1控制器對音圈電機直線軸控制與利用Turbo PMAC對音圈電機直線軸控制兩種方案對比，在此基礎上提出了一種利用TurboPMAC實現(xiàn)音圈電機軟著陸的控制方法，并通過實驗驗證了其性能。4. 2芯片放置控制要求芯片放置在完成對芯片的旋轉以及視覺對基板上焊盤位置的定位之后動作。芯片放置的示意圖如圖4.1所示: 為了保證粘貼的可靠性，音圈在把芯片置于基板焊盤之后，還需要以一定的接觸力作用一段時間，而不至于在接觸過程中壓壞

14、芯片。這一點，僅僅依靠位置模式難以實現(xiàn)。此外，芯片每次運動的距離也具有不確定性:首先，基板存在一定的加工誤差，即使同一批次的基板，不同區(qū)段間也存在厚度偏差;其次，貼片時基板由真空吸附裝置固定在吸附板上，由于真空吸附孔的有限性，難免會使有些部位仍存在氣泡;最后，真空吸附板的表面也存在一定的加工誤差。 總結芯片放置動作，其過程大致可分為高速運行、低速接近、軟著陸、高速返回四個部分。芯片放置動作時，音圈電機直線軸首先高速運動一段距離，在距離基板焊盤一定高度的位置切換為低速運動模式，直至實現(xiàn)軟著陸。之后，音圈電機高速返回，準備下一個動作流程。 在這一過程中，對控制系統(tǒng)而言，主要有以下技術要點: 1)為

15、提高效率，在確保安全可靠的前提下，高速運行的行程，盡可能長; 2)低速運行的速度，應確保芯片接觸時不損壞芯片，即軟著陸時對沖擊力的控制; 3)高速返回開始動作時應不對己貼芯片產(chǎn)生影響，速度應盡可能快。 這其中對軟著陸的控制是最為關鍵的一環(huán)。4. 3軟著陸的實現(xiàn)方式 軟著陸，即力/位混合控制的實現(xiàn)方式有很多種，按力反饋控制系統(tǒng)的結構大體可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 目前力/位混合控制研究較多的為閉環(huán)控制方式，且多為機器人應用領域。力/位混合控制閉環(huán)控制在位置環(huán)閉環(huán)控制的基礎上，使用力傳感器檢測接觸力信號作為力環(huán)反饋。因此，該方法能實現(xiàn)較為精確的力控制，具有更好的適應性。John J.Craig和M

16、arcH.Raibert在對機器人操作手的力/位混合控制中就使用了這種方法，采用該方法時需要知道任務空間中的位移和力的方向，以便于選取適當?shù)那袚Q規(guī)則來實現(xiàn)位置控制與力控制間的協(xié)調。在半導體封裝行業(yè)，韓國的Jung-Han Kim等學者在金線引線機中使用了一種混合接觸檢測算法來實現(xiàn)力/位混合控制，其在對力的控制上也采用了力傳感器。 使用力傳感器的方式在一定程度上提高了力控的準確性，但也增加了控制系統(tǒng)的難度。受機械結構等因素影響，力傳感器較窄的帶寬往往會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。同時壓力傳感器的安裝也增加了機械系統(tǒng)的復雜性。對于力控精度要求不高的場合，也可不使用力傳感器，即采用力/位混合控制開環(huán)控制方法。

17、該方法僅對位置環(huán)實行閉環(huán)控制，而不使用力傳感器檢測接觸力，在控制系統(tǒng)中，也沒有力反饋信號。 開環(huán)控制的實現(xiàn)方式可以由機械實現(xiàn)，也可以由控制系統(tǒng)實現(xiàn)。機械結構方式主要通過精確設計的凸輪來實現(xiàn)，但是該實現(xiàn)方式往往只使用于某些特定的場合，且在往復運動頻率較高的場合容易引起振動。此外，該機械結構也相對來說較為龐大，增加了電機的驅動負載?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)方式則更多地依賴于精確的位置控制來實現(xiàn)，同時也往往采用了分段控制的方法，以減小接觸過程中的沖擊。加拿大的Md Forhad Khandaker等學者在對音圈電機驅動發(fā)動機氣門閥的控制中采用分段控制的方式:在快速運行階段，采用高電壓(100 V ) PWM驅動

18、的方式，以提高系統(tǒng)的運行效率;在低速接近(軟著陸)階段，采用了低電壓(5V) PWM驅動的方式?？刂破鞲鶕?jù)行程以及穩(wěn)態(tài)誤差的大小選擇不同的驅動電壓20 結合所研制的貼片機，為確保芯片貼至天線基板的可靠性，需要讓芯片受一定壓力作用。但這個力的大小并不需要一個精確值，一般1N2N均可。因此，在軟著陸的實現(xiàn)過程的力/位混合控制中，沒有使用力傳感器來檢測貼裝頭與芯片間的接觸力，轉而通過控制器對直線方向(Z軸)的輸出控制來實現(xiàn)。為確保貼片的效率，控制系統(tǒng)針對貼片過程中不同階段的運動特點，采取不同的控制策略。其控制結構如圖4.2所示:其中sy為PID控制器傳遞函數(shù)，cs為電流環(huán)傳遞函數(shù)，xs為輸出限制選擇

19、函數(shù)?？赏瞥隹刂葡到y(tǒng)傳遞函數(shù)為對于x(S>，其選擇條件可以為實際位置x，也可以為跟隨誤差f。以實際位置為例，假設xk為條件位置，則其中uma、最大輸出指令，由控制器決定;k為限制值，其大小為0<k<_umax。對應芯片放置的具體過程，當實際位置xs)小于條件位置xx時，K(s)值等于1，即不對輸出進行限制，此時音圈電機處于高速接近的狀態(tài)。當實際位置x(s)大于等于條件位置xk時，x(S>的值將小于1，輸出將受到限制，音圈電機的持續(xù)輸出力只能為理論最大輸出力的k/umax，此時音圈電機實現(xiàn)軟著陸狀態(tài)并保持一定作用力。 下面兩節(jié)將對采用LAC-1直線控制器和采用Turbo

20、PMAC兩種控制方式實現(xiàn)軟著陸的方式及其效果做具體介紹。4. 4基于LAC-1控制器的音圈電機軟著陸實現(xiàn) SMAC公司在對音圈電機單軸直線控制上推薦使用LAC-1控制器，其控制模型如圖2.7 ( b)所示。使用這種控制方式時，對音圈電機直線軸的控制不經(jīng)過Turbo PMACSMAC公司提供了獨立的編程語言，可直接通過上位機編程、并配合I/O實現(xiàn)控制。在這種控制模式下，SMAC公司在編程中提供了三種音圈電機的運動模式:位置模式 (PM)、速度模式(VNl)和力模式(QM ) o 位置模式允許直線軸沿著行程方向使用加速度值、速度值及力值運動至目標位置，這種運動可以是絕對式的運動、相對式的運動或教導

21、式的運動，多用于大行程高速運動。速度模式允許直線軸以所給的速度值、加速度值、力值及方向來移動。多用于“柔性接觸“的程序中。力模式是一種開環(huán)模式，沒有力信號的反饋，其實際位置仍然可以監(jiān)控，但位置輸出是沒有作用的。其中從位置模式到速度模式的轉變可以只根據(jù)執(zhí)行器的位移來判斷，而從速度模式到力模式的轉換多根據(jù)力的大小確定。 對LAC-1控制器而言，圖4.2中輸出限制是通過力模式來實現(xiàn)的:若在力模式中設定了輸出力的大小，則控制器將根據(jù)設定值對輸出的電流進行限制。 SMAC公司在其應用手冊中給出了音圈電機在Die Bonding中的應用實例42，其力控曲線如圖4.3所示。 對于控制而言，軟著陸是通過在不同階段精確控制跟隨誤差的檢測閩值、控制速度以及輸出電流來實現(xiàn)的。首先，運行過程中，如果電機沒有接觸對象，在PID參數(shù)設置合理的情況下，跟隨誤差是一個比較小的正常值;而電機直線軸一旦發(fā)生接觸，因電機仍未到達指令位置，則跟隨誤差陡增。因此可通過實時監(jiān)測跟隨誤差來確保發(fā)生物理接觸。其次，通過精確控制輸出力(線圈電流)和低速運動來實現(xiàn)弱力接觸，減小沖擊。最后，對于所需要的壓力，則是在沖擊過程結束之后，準靜態(tài)精確增大輸出力實現(xiàn)。 簡言之，軟著陸的實現(xiàn)過程是:以精確的低速和可控的輸出力持續(xù)接近對象，實時監(jiān)測跟隨誤差