音圈電機伺服驅動器與運動機構設計

2020-11-24 電子產品世界

編者按：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，研發了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設備。基於ARMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設計了音圈直流伺服電機控制系統。分析了該伺服系統結構的組成，研究結果表明：設計的高精度位置伺服系統，能滿足位置超調量小於10 counts，穩態調整誤差為土1 count的系統參數指標。實現了音圈電機高速振動下控制器對光柵傳感器實時採集並且高速處理，以及對音圈電機位置的快速調整，完成對音圈電機的高速振動定位精度的控制。

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，研發了一種高性能的音圈電機高精度位置定位設備。基於ARMCortex M3系列的STM32F103VCT6處理器設計了音圈直流伺服電機控制系統。分析了該伺服系統結構的組成，研究結果表明：設計的高精度位置伺服系統，能滿足位置超調量小於10 counts，穩態調整誤差為土1 count的系統參數指標。實現了音圈電機高速振動下控制器對光柵傳感器實時採集並且高速處理，以及對音圈電機位置的快速調整，完成對音圈電機的高速振動定位精度的控制。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201601/284997.htm

　　隨著運動伺服控制技術的迅速發展，音圈電機伺服控制系統應用於在高速、高頻精密定位系統：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發展很多年，特別是德國、美國、日本已經把音圈電機伺服控制系統應用於軍事、航天、航海等領域，控制精度可以達到納米級。國內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，這個差距不僅表現在技術上，國內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展之中[2-3]。本課題的創新點是實現了驅動系統、控制系統和運動機構的一體化設計，通過三閉環控制、分段控制等，實現了位置的精確控制。

1 音圈電機原理和機構

　　音圈電機是基於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I，線圈的匝數為N，k為常數。通過給線圈供電，線圈帶動執行機構直線運動。如圖1所示，是音圈電機的機械結構。

2 音圈電機的控制系統

　　音圈電機伺服系統的構成包含執行器、控制器、反饋裝置等部分，如圖2。

2.1 音圈電機控制器

　　音圈電機閉環控制系統的核心就是控制器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。

　　本文採用STM32F103VCT6的TIM3作為編碼器接口，讀取編碼器的旋轉產生的脈衝數， 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 電機驅動電路設計

　　音圈電機伺服系統採用PWM方式調速，驅動器可以採用分立元件電晶體或者MOS管來搭建H橋電路，經過反覆試驗，自己搭建的H橋電路不夠穩定，發熱量大，最後採用功率集成晶片H橋組件LMD18200[10]，STM32輸出的PWM信號和DIR信號經過H橋集成晶片LMD18200放大，進一步控制音圈電機的運動。

　　在本系統中，通過STM32F103VCT6產生控制信號，控制信號包括PWM信號、DIR信號和BRANKE信號。如圖4所示為LMD18200的原理圖。


本文來源於中國科技核心期刊《電子產品世界》2016年第1期第65頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

相關焦點

  • 伺服電機驅動器與步進電機驅動器之間的區別
    打開APP 伺服電機驅動器與步進電機驅動器之間的區別 發表於 2019-10-31 09:45:46 步進電機的控制系統由可編程控制器、環行脈衝分配器和步進電機功率驅動器組成，控制系統中plc用來產生控制脈衝;通過plc編程輸出一定數量的方波脈衝，控制山社步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量;同時通過編程控制脈衝頻率就是伺服機構的進給速度，環行脈衝分配器將可編程控制器輸出的控制脈衝按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。
  • 新型AC伺服電機/驅動器(08-100)
    伺服和運動控制技術作為數控工具機、工業機器人及其它產業機械控制的關鍵技術之一，在國內外普遍受到關注。在伺服與運動控制產品領域，多樣化一直是個鮮明的特點，包括從直流伺服驅動技術到交流伺服驅動技術，從模擬化到全數位化、智能化、網絡化，從單軸伺服到多軸伺服，從單機化到總線產品。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/91911.htm　　眾所周知，先進的伺服運動控制技術與解決方案的應用正是提升機器設備性能與檔次及市場競爭力的一個重要途徑。
  • 伺服電機使用_伺服電機驅動器如何使用 - CSDN
    伺服主要靠脈衝來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈衝，就會旋轉1個脈衝對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈衝的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈衝，這樣，和伺服電機接受的脈衝形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈衝給伺服電機，同時又收了多少脈衝回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動
  • XC4單軸PWM驅動器 適用於無刷直流、有刷直流、音圈和步進電機
    Aerotech的XC4 PWM數字驅動器是一款單軸電機驅動器，可在高達340 VDC工作電壓和30A峰值電流能力下用於無刷直流、有刷直流、音圈或步進電機。所有版本均與使用HyperWire運動總線的Automation 3200運動平臺兼容。
  • 四個方法簡化運動控制系統設計——降低伺服電機成本
    使用基於PC的控制軟體、EtherCAT網絡、集成驅動器和單電纜技術進行配置，可簡化運動控制系統設計，並降低伺服電機成本。無論是改造項目還是新應用，選擇和安裝最佳伺服電機，都不是一項簡單的任務。任何升級通常都需要調整驅動器、變速箱、編碼器以及與電機接觸的其它部件。為每個伺服驅動器單獨編程和配置，也會增加調試時間和不必要的成本。
  • 永磁同步伺服電機驅動器原理
    永磁交流伺服系統具有以下等優點：(1)電動機無電刷和換向器，工作可靠，維護和保養簡單;(2)定子繞組散熱快;(3)慣量小，易提高系統的快速性;(4)適應於高速大力矩工作狀態;(5)相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應用於工具機、機械設備、搬運機構、印刷設備、裝配機器人、加工機械、高速卷繞機、紡織機械等場合，滿足了傳動領域的發展需求。
  • 永磁同步伺服電機(PMSM)驅動器原理
    永磁交流伺服系統的驅動器經歷了模擬式、模式混合式的發展後，目前已經進入了全數字的時代。全數字伺服驅動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發揮了數字控制在控制精度上的優勢和控制方法的靈活，使伺服驅動器不僅結構簡單，而且性能更加的可靠。現在，高性能的伺服系統，大多數採用永磁交流伺服系統其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數字交流永磁同步伺服驅動器兩部分。
  • Akribis雅科貝思直驅電機力矩電機音圈電機直線電機DD馬達_中國...
    設計特點　　A.厚度小B.中孔大C.內置霍爾傳感器和溫度傳感器D.直驅大扭矩，無齒槽效應E.限定角度運動或360度圓周運動F.靈活配置多線圈或多導軌結構　　電機扭矩更高，加上定子齒部的優化設計，達到低齒槽轉矩的效果。
  • 伺服驅動器的工作模式與伺服驅動器的測試方法
    伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用。　　在伺服驅動器速度閉環中，電機轉子實時速度測量精度對於改善速度環的轉速控制動靜態特性至關重要。為尋求測量精度與系統成本的平衡，一般採用增量式光電編碼器作為測速傳感器，與其對應的常用測速方法為M/T測速法。
  • 伺服驅動器的工作原理
    為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用全數字式交流伺服電機作為執行電動機。在控制方式上用脈衝串和方向信號實現。  一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。 目前，主流的伺服驅動器均採用數位訊號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較複雜的控制算法，實現數位化、網絡化和智能化。
  • 解密瘋搶的呼吸機音圈電機音圈馬達原理與結構設計
    解密呼吸機音圈電機音圈馬達原理與結構設計在現代臨床醫學中，醫用呼吸機作為一項能人工替代自主通氣功能的有效手段，已普遍用於各種原因所致的呼吸衰竭、大手術期間的麻醉呼吸管理、呼吸支持治療和急救復甦中，在現代醫學領域內佔有十分重要的位置。
  • PLC是怎麼控制伺服電機的?如何設計一個伺服系統?
    法律顧問：趙建英律師 （一）PLC是怎麼控制伺服電機的？ 在回答這個問題之前，首先要清楚伺服電機的用途，相對於普通的電機來說，伺服電機主要用於精確定位，因此大家通常所說的控制伺服，其實就是對伺服電機的位置控制。
  • 詳解伺服驅動器和變頻器的區別
    一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。   　　伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。
  • 異步伺服電機和同步伺服電機的區別
    一談到運動控制，大家第一時間就會想起伺服電機。 　　永磁同步伺服電機 　　永磁同步伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定於編碼器的精度（線數）。
  • 伺服電機與步進電機的區別差異,步進電機控制能否用伺服電機控制代替
    步進電機是一種將數字脈衝信號轉化為角位移的執行機構。也就是說，當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角、步距角）。您可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
  • 通用型與脈衝型伺服驅動器的區別
    伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。該算法中速度閉環設計合理與否，對於整個伺服控制系統，特別是速度控制性能的發揮起到關鍵作用 。
  • 淺析伺服電機的慣量問題,伺服電機低慣量與高慣量的區別差異
    不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。 不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關係有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小於十以內。一句話，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質 量要求來確定。 對於基礎金屬切削工具機，對於伺服電機來說，一般負載慣量建議應小於電機慣量的5倍。
  • 直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機的優缺點
    為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多採用步進電機、直流電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然三者在控制方式上相似，但在使用性能和應用場合上存在著的差異。現大蘭電機小編就三者的優點用途作一比較。　　交流伺服電機　　優點：　　⑴無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。
  • 音圈電機直線電機通用選型計算方法及範例
    音圈電機直線電機通用選型計算方法及範例音圈電機直線電機通用選型計算方法及範例 根據速度、行程、負載等需求來選擇合適的音圈電機直線電機，進行選配工作的基本流程如以 下三點:l 決定運動規劃及設定運動參數 l 最大推力與連續推力的計算 l 計算電機負載能力和驅動器的電流電壓的匹配
  • 淺談伺服驅動器動力電和控制電
    一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位，目前是傳動技術的高端產品。   　　伺服驅動器是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。尤其是應用於控制交流永磁同步電機的伺服驅動器已經成為國內外研究熱點。當前交流伺服驅動器設計中普遍採用基於矢量控制的電流、速度、位置3閉環控制算法。