音圈电机(微特电机)

华侨大学厦门工学院

电气工程系

课程设计报告

课程名称：音圈电机的应用

院系：电气工程系

专业：电气工程及其自动化

班级： 2009级电气工程及其自动化7班

学号： 090210700

姓名：

指导老师：

2012 年12月9 日

目录

一、课程设计的意义 (3)

1.1研究意义 (3)

1.2研究内容 (3)

二、音圈电机的主要结构 (4)

2.1传统结构形式 (4)

2.2集中通量结构形式 (4)

2.3磁力交叉存取结构形式 (5)

三、音圈电机的工作原理 (6)

3.1 磁学原理 (6)

3.2电子学原理 (7)

3.3机械原理 (7)

四、实例：基于音圈电机的力_位控制及应用

4.1 引言 (8)

4.2 芯片的放置控制要求 (8)

4.3 软着陆实现方式 (8)

4.4 基于LAC-1控制器的音圈电机软着陆的实现 (10)

4.5 基于Tutbo PMAC的音圈电机软着陆的实现 (11)

4.6 本章小结 (12)

一、课程设计的意义

1. 1研究意义

《微特电机及系统》的学习，重在学习各种各样的电能、机械能相互转换的实现方法。学完之后，应该能用所学的知识分析生产生活中的各种应用，甚至在以后的工作中，研制更先进的电机来解决一些实际应用难题。

随着我国精密仪器制造、测量的发展，其相关技术的要求也不断提高。其中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，在精密仪表领域有着广泛地研究前景。

1. 2研究内容

在本文中，主动隔振系统对于低频、微幅振动的控制，振动信号的测量，选用PCB公司的型号为M355BO4测量高频信号，型号为M393B31测量低频信号。

在国内外将音圈电机用于精密隔振系统作为控制器并不多见。由于受到传

感器低频测量范围的限制，在低频精密主动隔振技术方面的研究较少。音圈电机 (VoiceCoilActuator)是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快等特性16一，“]。为此，本文提出

了利用音圈电机作为控制器，将被动和主动隔振技术结合应用，利用被动隔振系统作为隔振平台的音圈电机低频精密主动隔振系统。基于上述的思想，本文将在以下几个方面进行研究:

1、对被动隔振及主动隔振的隔振机理进一步深入地研究。被动隔振系统为

传统的隔振手段，具有方法简单，可靠性高的特点。常用的被动隔振系统多为单级或两级隔振系统，当所选隔振器件的参数相同时，两级隔振系统的隔振性能要优于单级隔振系统。不论是单级隔振系统还是两级隔振系统，所选隔振器件的自振频率对隔振系统的隔振性能具有决定性的作用。

2、研究提出针对微纳米测量对环境振动要求振动的隔离方案，采用音圈电

机作为驱动器实现主动隔振。

3、对所设计的隔振系统进行了被动隔振隔离效果的测试与分析和主动隔振

效果仿真与分析。

4、对用于施加振动主动控制力的音圈电机及其安装方式进行了研究。

5、分别采用模糊PID控制算法、小波变换算法，对隔振系统进行主动隔

振的仿真分析研究。

6、针对主动隔振系统选型的音圈电机，设计驱动电路。

二、音圈电机的主要结构

2.1传统结构形式

如图2所示，在音圈电机的传统结构中，有一个圆柱状线圈，圆柱中心杆与包围在中心杆周围的永久磁体形成的气隙，在磁体和中心杆外部罩有一个软铁壳。线圈在气隙内沿圆柱轴向运动。图4为此传统结构音圈电机的轴测图。

依据线圈行程，线圈的轴向长度可以超出磁铁轴向长度，即长音圈结构。而有时根据行程，磁体又可以比线圈长，即短音圈结构。长音圈结构中的音圈长度要大于工作气隙长度与最大行程长度之和；而短音圈结构中的工作气隙长度大于音圈长度与最大行程长度之和。长音圈结构充分利用了磁密，但由于音圈中只有一部分线圈处于工作气隙中，所以电功率利用不足；短音圈结构则正好相反。两种结构相比，前者可以允许较小的磁铁系统，因此音圈电机的体积也可以比较小；后者则体积较大，但功耗较小，可以允许较大音圈电流。与短线圈配置相比，长音圈配置可以提供更好的力2功率比，且散热好。而短音圈配置电时间延时较短，质量较小，且产生的电枢反动力小。

2.2 集中通量结构形式

在运动控制中，有时需要的力比传统移动音圈电机所能提供的力要大，传统结构形式的音圈电机不能满足要求。为解决此问题，需要提高音圈电机工作效率，为此应合理设计其结构，尽量减少磁路漏磁。设计音圈电机时总是希望磁钢的磁力线尽可能多地通过气隙，以提高气隙磁密，从而产生尽可能大的磁力。

采用集中磁通技术，能够使制造的电机气隙磁密等于甚至大于磁体中的剩余量。基于该技术的电机内部是一个一端封闭的空心圆柱磁铁（见图5）。圆柱内部形成N极，圆柱的外部形成S极。紧贴磁体外部由一个也有一端封闭的软铁圆柱壳罩住，软铁壳的开口端伸出磁体开口端。由软铁制成的圆柱芯在磁体内部紧紧贴合，并从其开口端伸出。壳的内表面与圆柱芯的外表面之间的环形空间形成气隙，圆柱状线圈可在气隙中沿轴向运动。该电机结构形式允许磁体面大于气隙面。这样的设计不会引起泄漏，几乎从磁体表面发出的所有磁力线都通过气隙。

2.3 磁力交叉存取结构形式

若要求在尽可能小的直径情况下，获得最高输出力，可采用专有的交叉存取磁电路技术。与传统结构以及集中磁通量结构相比，其性能特性不变，而轴向尺寸更长，但直径尺寸减小，其磁体质量较小，但线圈趋于更重。交叉存取磁电路音圈的突出优点是线圈漏感较小，电时间延迟非常短。

三、音圈电机的原理

3.1磁学原理

音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生力F，力的大小取决于磁场强弱B ，电流I，以及磁场和电流的方向（见图1）。如果共有长度为L的N根导线放在磁场中, 则作用在导线上的力可表示为

F=Kblin，(1)

式中k为常数。

由图1可知，力的方向是电流方向和磁场向量的函数，是二者的相互作用。如果磁场和导线长度为常量，则产生的力与输入电流成比例。在最简单的音圈电机结构形式中，直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组（见图2）。铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性。铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路。当给线圈通电时，根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力。通电线圈两端电压的极性决定力的方向。

将圆形管状直线音圈电机展开，两端弯曲成圆弧，就成为旋转音圈电机。旋转音圈电机

力的产生方式与直线音圈电机类似。只是旋转音圈电机力是沿着弧形圆周方向产生的，输出转矩见图3。

3.2 电子学原理

音圈电机是单相两极装置。给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动。通过线圈的电流方向决定其运动方向。当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生与线圈运动速度、磁场强度、和导线长度成比例的电压（即感应电动势）。驱动音圈电机的电源必须提供足够的电流满足输出力的需要，且要克服线圈在最大运动速度下产生的感应电动势，以及通过线圈的漏感压降。

3.3机械系统原理

音圈电机经常作为一个由磁体和线圈组成的零部件出售. 线圈与磁体之间的最小气隙通常是（0.254 - 40. 381）mm，根据需要此气隙可以增大，只是需要确定引导系统允许的运动范围，同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞。多数情况下，移动载荷与线圈相连，即动音圈结构。其优点是固定的磁铁系统可以比较大，因而可以得到较强的磁场；缺点是音圈输电线处于运动状态，容易出现断路的问题。同时由于可运动的支承，运动部件和环境的热接触很恶劣，动音圈产生的热量会使运动部件的温度升高，因而音圈中所允许的最大电流较小。当载荷对热特别敏感时，可以把载荷与磁体相连，即固定音圈结构。该结构线圈的散热不再是大问题，线圈允许的最大电流较大，但为了减小运动部分的质量，采用了较小的磁铁，因此磁场较弱。

直线音圈电机可实现直接驱动，且从旋转转为直线运动无后冲、也没有能量损失。优选的引导方式是与硬化钢轴相结合的直线轴承或轴衬。可以将轴/轴衬集成为一个整体部分。重要的是要保持引导系统的低摩擦，以不降低电机的平滑响应特性。

典型旋转音圈电机是用轴/球轴承作为引导系统，这与传统电机是相同的。旋转音圈电机提供的运动非常光滑，成为需要快速响应、有限角激励应用中的首选装置。比如万向节装配中。

四、实例：基于音圈电机的力_位控制及应用

4. 1引言

音圈电机在整个贴片过程中将主要完成拾片、旋转、放置三个动作。在第3章中己

经介绍了利用Turbo PMAC对音圈电机的位置控制来实现前两个动作的方法。对于放置

(贝占片)动作，由于音圈电机所带的贴装头与芯片之间存在挤压，较大的力冲击容易使芯片发生裂纹，造成芯片与天线互连的失效。因此，单纯的位置控制不能满足贴片的要求，还必须对接触力进行控制，即力/位混合控制，也称软着陆控制。

在这一章中，通过使用SMAC公司的LAC-1控制器对音圈电机直线轴控制与利用

Turbo PMAC对音圈电机直线轴控制两种方案对比，在此基础上提出了一种利用Turbo PMAC实现音圈电机软着陆的控制方法，并通过实验验证了其性能。

4. 2芯片放置控制要求

芯片放置在完成对芯片的旋转以及视觉对基板上焊盘位置的定位之后动作。芯片放置的示意图如图4.1所示:

为了保证粘贴的可靠性，音圈在把芯片置于基板焊盘之后，还需要以一定的接触力作用一段时间，而不至于在接触过程中压坏芯片。这一点，仅仅依靠位置模式难以实现。此外，芯片每次运动的距离也具有不确定性:首先，基板存在一定的加工误差，即使同一批次的基板，不同区段间也存在厚度偏差;其次，贴片时基板由真空吸附装置固定在吸附板上，由于真空吸附孔的有限性，难免会使有些部位仍存在气泡;最后，真空吸附板的表面也存在一定的加工误差。

总结芯片放置动作，其过程大致可分为高速运行、低速接近、软着陆、高速返回四个部分。芯片放置动作时，音圈电机直线轴首先高速运动一段距离，在距离基板焊盘一定高度的位置切换为低速运动模式，直至实现软着陆。之后，音圈电机高速返回，准备下一个动作流程。

在这一过程中，对控制系统而言，主要有以下技术要点:

1)为提高效率，在确保安全可靠的前提下，高速运行的行程，尽可能长;

2)低速运行的速度，应确保芯片接触时不损坏芯片，即软着陆时对冲击力的控制;

3)高速返回开始动作时应不对己贴芯片产生影响，速度应尽可能快。

这其中对软着陆的控制是最为关键的一环。

4. 3软着陆的实现方式

软着陆，即力/位混合控制的实现方式有很多种，按力反馈控制系统的结构大体可分为

开环控制和闭环控制。

目前力/位混合控制研究较多的为闭环控制方式，且多为机器人应用领域。力/位混合控制闭环控制在位置环闭环控制的基础上，使用力传感器检测接触力信号作为力环反馈。因此，该方法能实现较为精确的力控制，具有更好的适应性。John J.Craig和MarcH.Raibert在对机器人操作手的力/位混合控制中就使用了这种方法，采用该方法时需要知道任务空间中的位移和力的方向，以便于选取适当的切换规则来实现位置控制与力控制间的协调。在半导体封装行业，韩国的Jung-Han Kim等学者在金线引线机中使用了一种混合接触检测算法来实现力/位混合控制，其在对力的控制上也采用了力传感器。

使用力传感器的方式在一定程度上提高了力控的准确性，但也增加了控制系统的难度。受机械结构等因素影响，力传感器较窄的带宽往往会引起系统的不稳定。同时压力传感器的安装也增加了机械系统的复杂性。对于力控精度要求不高的场合，也可不使用力传感器，即采用力/位混合控制开环控制方法。该方法仅对位置环实行闭环控制，而不使用力传感器检测接触力，在控制系统中，也没有力反馈信号。

开环控制的实现方式可以由机械实现，也可以由控制系统实现。机械结构方式主要通过精确设计的凸轮来实现，但是该实现方式往往只使用于某些特定的场合，且在往复运动频率较高的场合容易引起振动。此外，该机械结构也相对来说较为庞大，增加了电机的驱动负载。控制系统实现方式则更多地依赖于精确的位置控制来实现，同时也往往采用了分段控制的方法，以减小接触过程中的冲击。加拿大的Md Forhad Khandaker等学者在对音圈电机驱动发动机气门阀的控制中采用分段控制的方式:在快速运行阶段，采用高电压(100 V ) PWM驱动的方式，以提高系统的运行效率;在低速接近(软着陆)阶段，采用了低电压((5V) PWM驱动的方式。控制器根据行程以及稳态误差的大小选择不同的驱动电压[[20]

结合所研制的贴片机，为确保芯片贴至天线基板的可靠性，需要让芯片受一定压力作用。但这个力的大小并不需要一个精确值，一般1N}2N均可。因此，在软着陆的实现过程的力/位混合控制中，没有使用力传感器来检测贴装头与芯片间的接触力，转而通过控制器对直线方向(Z轴)的输出控制来实现。

为确保贴片的效率，控制系统针对贴片过程中不同阶段的运动特点，采取不同的控制策略。其控制结构如图4.2所示:

其中sy为PID控制器传递函数，c}s}为电流环传递函数，x}s}为输出限制选

择函数。可推出控制系统传递函数为

对于x(S>，其选择条件可以为实际位置x，也可以为跟随误差f。以实际位置为例，

假设xk为条件位置，则

其中uma、最大输出指令，由控制器决定;k为限制值，其大小为0

x(S>的值将小于1，输出将受到限制，音圈电机的持续输出力只能为理论最大输出力的

k/umax，此时音圈电机实现软着陆状态并保持一定作用力。

下面两节将对采用LAC-1直线控制器和采用Turbo PMAC两种控制方式实现软着陆的方式及其效果做具体介绍。

4. 4基于LAC-1控制器的音圈电机软着陆实现

SMAC公司在对音圈电机单轴直线控制上推荐使用LAC-1控制器，其控制模型如图2.7 ( b)所示。使用这种控制方式时，对音圈电机直线轴的控制不经过Turbo PMAC} SMAC公司提供了独立的编程语言，可直接通过上位机编程、并配合I/O实现控制。在这种控制模式下，SMAC公司在编程中提供了三种音圈电机的运动模式:位置模式(PM)、速度模式(VNl)和力模式(QM ) o

位置模式允许直线轴沿着行程方向使用加速度值、速度值及力值运动至目标位置，这种运动可以是绝对式的运动、相对式的运动或教导式的运动，多用于大行程高速运动。速度模式允许直线轴以所给的速度值、加速度值、力值及方向来移动。多用于“柔性接触“的程序中。力模式是一种开环模式，没有力信号的反馈，其实际位置仍然可以监控，但位置输出是没有作用的。其中从位置模式到速度模式的转变可以只根据执行器的位移来判断，而从速度模式到力模式的转换多根据力的大小确定。

对LAC-1控制器而言，图4.2中输出限制是通过力模式来实现的:若在力模式中设

定了输出力的大小，则控制器将根据设定值对输出的电流进行限制。

SMAC公司在其应用手册中给出了音圈电机在Die Bonding中的应用实例[[42]，其力控曲线如图4.3所示。

对于控制而言，软着陆是通过在不同阶段精确控制跟随误差的检测闽值、控制速度以及输出电流来实现的。首先，运行过程中，如果电机没有接触对象，在PID参数设置合理的情况下，跟随误差是一个比较小的正常值;而电机直线轴一旦发生接触，因电机

仍未到达指令位置，则跟随误差陡增。因此可通过实时监测跟随误差来确保发生物理接触。其次，通过精确控制输出力(线圈电流)和低速运动来实现弱力接触，减小冲击。

最后，对于所需要的压力，则是在冲击过程结束之后，准静态精确增大输出力实现。

简言之，软着陆的实现过程是:以精确的低速和可控的输出力持续接近对象，实时监测跟随误差实现软着陆，然后准静态增大输出电流达到工作接触力要求。

由于采用了判断跟随误差是否超过闽值来鉴定是否发生接触，这同时又带来了新的问题:如何定义跟随误差的闽值。如果闽值定义得太小，则可能发生虚假软着陆，即在音圈电机直线轴向下运动过程中，由于外界干扰等因素，在轴末端接触基板之前，跟随误差在某一刻超过闽值。此时，程序认为音圈己经发生“接触”，切入下一步动作，而芯片却尚未贴至基板。这是一种需要杜绝的现象。

4. 5基于丁。rbo PMAC的音圈电机软着陆实现

4. 5. 1控制系统的硬件结构

基于上节中对使用SMAC公司LAC-1控制音圈电机实现软着陆过程中的不足，本文提出了利用Turbo PMAC实现对直线轴软着陆控制的方法。其硬件系统除音圈电机本身之外，还包括SMAC公司的LAA-5放大器、Turbo PMAC以及工控机。其硬件连接示意图如图4.6所示:

4.5.2音圈电机的高度学习

贴片机在芯片贴装前，必须先完成对直线方向移动距离的学习。由于吸附板与音圈直线轴末端的距离在机械安装时己固定，即图4.7中的h己知。考虑到吸附板的加工误差士△h，为方便编程，在低速搜索高度时，利用控制器的轨迹生成器指令令其行走H, 同时对输出力进行一定的限制，适当放开跟踪误差保护，当音圈直线末端与基板可靠接触后，延时一段时间，读取当前位置，然后再快速返回。其中H为常数，且满足H>h+

4. 6本章小结

本章针对芯片放置环节的技术要求，围绕对音圈电机的力/位混合控制展开。比较了利用SMAC公司的LAC-1控制器与利用Turbo PMAC实现音圈电机软着陆的控制方法，指出后者的优点。并在此基础上，对音圈电机软着陆的运行轨迹做了优化，提高了贴片的效率。

五、设计总结