音圈电机驱动系统设计与分析

合集下载

音圈电机的基本结构与工作原理001

音圈电机的电磁场计‎算与分析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。

以音圈电机为动力的直‎线定位系统‎具有整体结‎构简单、驱动速度快‎、定位精度高‎等优点，已广泛应用‎于计算机磁‎盘驱动器、激光微调机‎、六自由度机‎器人手臂等‎高新技术设‎备中。

评价音圈电机的指标包括‎出力大小和‎“力一位移”曲线的平滑‎度。

在音固电机设计中，需要合理确‎定各个尺寸‎和电磁参数‎，以得到理想‎的出力和“力一位移”曲线。

尽管音圈电机的结构比较‎简单，但是设计方‎法有其特殊‎性，目前关于该‎电机设计计算的‎参考文献仍‎较少，仅有国外的‎产品介绍可‎供参考。

音圈电机的出力和“力一位移”曲线的计算‎应以电磁场‎计算为基础‎。

音圈电机的结构主要‎由定子和动‎子组成。

其中定子包‎括外磁轭、环形磁钢、隔磁环和内‎磁轭，动子由音圈‎绕组和绕组‎支架组成。

音圈电机的工作原理‎与电动式扬‎声器类似，即在磁场中‎放入一环形‎绕组，绕组通电后‎产生电磁力‎，带动负载作‎直线运动；改变电流的‎强弱和极性‎，即可改变电‎磁力的大小‎和方向。

音圈电机的设计应遵‎循以下几个‎基本原则：(1)在电机体积给定的‎情况下，应尽可能增‎加气隙磁密‎与线圈总长‎度的乘积，以提高单位‎电流产生的‎磁推力。

(2)减小漏磁，降低磁路的‎饱和程度，从而减小电机的体积。

(3)合理设计电机定子和动子‎的轴向长度‎，以得到平滑‎的“力-位移”曲线。

电磁场计算‎音圈电机的设计与分‎析应以电磁‎场计算为基‎础。

由于音圈电机内的磁场是‎一个轴对称‎场，所以可采用‎二维有限元‎法进行计算‎。

影响音圈电机性能的结构‎参数主要包‎括磁钢厚度‎、音圈厚度、外磁轭厚度‎、极间距离和‎定动子长度‎。

磁钢厚度越‎大，则气隙磁场‎越强，电机的出力也越‎大，但在电机外径一定的‎条件下，音圈的直径‎要减小。

因此须适当‎选择磁钢厚‎度，才能使电机出力最大。

音圈厚度不‎但影响电机绕组的安匝‎数，同时影响气‎隙磁密，两者相互矛‎盾。

直线音圈电机结构设计与数学建模分析

直线音圈电机结构设计与数学建模分析音圈直线电机是一种将电能直接转化为直线运动而不需要任何中间转换机构的特种电机，由于具有体积小、质量轻、高响应等一系列优点，因而在一些精密领域及快速响应场合得到了广泛的应用。

文章重点介绍了一种自主设计的音圈电机的结构，并且在分析动态特征的基础上通过数学推导建立了比较精确的数学模型。

标签：音圈直线电机；结构；工作原理；数学模型引言音圈电机（V oice Coil Motor）是一种特殊形式的直接驱动电机，因其工作原理与扬声器类似而得名。

其工作原理就是安培力原理，通电线圈（导体）放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。

音圈电机将电能直接转换成机械能，省去了中间转换机构，在一些精密定位系统、高加速领域中得到了广泛的应用，如磁盘定位、光学透镜定位等[1，2]。

根据运动部件的不同，音圈电机可以分为动铁式与动圈式；根据运动方式的不同，音圈电机可分为直线型与旋转型；根据音圈电机内线圈的长短可分为长音圈型与短音圈型；根据磁通源的不同，音圈电机可分为永磁式与电磁式[3，4]。

文章所研究的音圈电机为动圈型永磁式直线音圈电机，将电能直接转换为直线运动的机械能。

1 直线音圈电机的结构文章所设计的音圈电动机为直线电机的一种，动线圈型永磁式直线直流电动机，这种直流直线电机由以下几部分组成，主要包括外壳、环形磁铁、铁芯、底座、电枢骨架和电枢线圈。

图1所示就是音圈电机的结构示意图。

图1 音圈电机结构示意图本设计在结构上非常简单。

动子部分包括电枢骨架及缠绕在上面的金属线圈，定子部分主要由四部分组成，外壳是圆柱形的，使用的是钢性材料；铁芯中间部分采用空心结构，这样可以使电机的重量大大减轻；磁场是由永磁铁产生的，永磁铁紧贴着外壳内壁，与铁芯之间构成气隙；铁芯是与外壳的底部连接在一起的，在外壳和铁芯的气隙之间形成固定的磁场，线圈通直流电后，线圈上就会产生电磁力，推动线圈沿轴线方向直线移动。

音圈直线电动机设计、控制及应用综述

ｌｅｒｍｏｏｓｉｔｉｅｉａｔｒｎｄｅａｌｄ．Ｔｅｔｐｃｌａｐｌａｉｎａｄｒｃｎｔｓｕｄｅｆｖｉｅｃｉｉｅｒｍｏｏｓｗｅｅｐｅ — ｎｈｙｉａｐｉｔｎｅｅｔｉｓｏｏｃｏｌｌｎａｔｒｒｒｓｃｏｅｔｄ．ｎｅ
关键词：直线电动机；优化设计；伺服控制；应用
ＤｅｉｎａｎｔｏｌＡｐｉａｉｎｏｉｅＣｏｌＬｉａｏｏｓｓｇｎｄＣｏｒｐｌｃｔｏｆＶｏｃｉｎｅｒＭｔｒＣＨＡＮＧｅｆｎＸｕ —ｅｇ，ＣＨＥＮｕ— ｎＹｏｐｉｇ，ＡＩＷｕ，ＺＨＯＵ－ｅＺｕｄ
丝杠驱动方式的一些不足，具有结构简单、动态响应快、调速范围宽、定位精度高等优点。随着设计水平与控制技术的不断发展，音圈直线电机的应用范围不断扩展，目前在各类短行程的闭环
Ｋｅｏｄ：ＬｎａｔｒＯｐｉｌｄｓ；ＳｒｏｃｎｒｌＡｐｉａｉｎｙＷｒｓｉｅｒｍｏｏ；ｔｍａｅｉｎｇｅｖｏｔ；ｐｌｔｏ，顾名思义，其原本的主要用途为推动音响喇叭，根据运动形式的不同，可分为旋转式与直线式。音圈旋转电机可视为一种单相直流电机，只是其旋转角度受到限制，一般小于
Ａｂｓｒｔ：Ｖｏｃｏｌｌｎａｔｒｒｉｅｔｄｖｔａｃｉｅｃｉｉｅｒｍｏｏｓｗｅｅｄｒｃｒｅ，ｌｎａｏｔｏ，ｎｎ－ｏｉｉｅｃｎｒｌｒｏｃｍｍｕａｅｉｔｄｍｏｉｎｅｔｔｄｌｅｔ－ｍｉｏｌｃｒｍａｎｔｃｄｖｃｓＴｈｉｌｈａｃｌｒｔｏｅｔｏｇｅｉｅｉｅ．ｅｒｈｉｃｅｅａｉｎ，ｈｇｒｃｓｏｇｉｈｐｅｉｉｎ，ｆｓｅｐｎｅｃｒｃｅｓｉｓｍａｅｖｉｅａｔｒｓｏｓｈａａｔｒｔｃｄｏｃｉｃｉｌｎａｔｒｄａｏｈｒ—ｔｏｅｃｏｅｏｐｓｒｏａｐｉａｉｎｓＴｈｓｐｐｒｄｓｕｓｄｔｅｓｒｃｕｒｏｌｉｅｒｍｏｏｓｉｅｌｆｒｓｏｔｓｒｋｌｓｄｌｏｅｖｐｌｃｔｏ．ｉａｅｉｃｓｅｈｔｕｔｅ

音圈电机研究及应用综述

第４４卷第８期
２１０１年
８月
徽＇机Ｉ｝
ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ
Ｖ０．４．Ｎｏ８１４．Ａｕｇ２１．０１
音圈电机研究及应用综述
兴连国，周惠兴，侯书林，曹荣敏
（国农业大学，北京中１０８）００３
摘
要：音圈电机是特种直线电机，是一种将电能直接转化为直线或者圆弧运动机械能而不需要任何中间转换机构
的传动装置，其工作原理与扬声器的音圈类似。音圈电机具有体积小、重量轻、高加速度、高速度、快速响应、推力均匀等优良性能。介绍了音固电机的设计与选用的理论基础，并阐述了音圈电机的技术工作原理、结构形式、设计方案、控制方法和热平衡分析。给出了音圈电机的设计计算方法，并对音圈电机的应用场合进行了详细介绍。
关键词：音圈电机；控制方法；设计方法；热平衡分析；应用中图分类号：Ｔ５．Ｍ３９９文献标志码：Ａ文章编号：１０．８８２１）８０８ —６０１６４（０１０．０２０
ＲｅｅｒｈａｄＡｐｐｉａｉｎｆＶｏｃｉＭｏｏｓａｃｎｌｃｔｏｏｉｅＣｏｌｔｒ
机，因为原理与扬声器类似而得名。其工作原理为：
音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机，其
通电线圈（体）导在磁场中会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。基于此原理制造的音圈

基于音圈电机驱动的精密定位系统

维普资讯
基于音圈电机驱动的精密定位系统
口张武军口杨爱梅
蚌埠
口
王贵林
长沙４０７１０３
１汽车管理学院运输指挥系．
２３１３０１
２国防科技大学机电工程与自动化学院．
改善了定位平台的运动精度心］平台支承面的上下、。左
右均处于空气静压作用下，本上没有摩擦力，此支基因承面不发热，有温升，不会因温升而造成工作间隙没也
１定位控制平台
８冯国楠．现代伺服系统的分析与设计［．Ｍ］北京：机械工业出
版社，９０１９．
９ｏｓｎｉＧｌｅ使用手册［］２０．ＥＡＢｓａｙ．ＨＢａｄｄＺ，０５
１ｏｓｎｉＧｌｅ理手册【】２０．０ＥＡＢｓａｙ．ＨＢａｄ原ｄＺ，０５
ｏｄｖｕｌｌｅｉｈｅｎｒｌｄｎｔｒｉｅＣ．ｈｔｆｎｉｄａＢａｔ —ｏｔｅｄｕｂｎ【］ＴｅｈＩｉｄＰｃｏＷｉ６
ＷｏｌｎｒｓｎＩｔｌｉｅｎｒｌａｄＡｕｏｔｏ２６：ｒｄＣｏｇｅｓｏｎｅｌｇｎｔＣｏｔｏｎｔｍａｉｎ，００６４８９ —６４９２．
２ＬｕＨｏｇｉＬｎＹｏｇａｇＬｅ．ｔｄｎＣｎｒｌｔｔｇｉｎｗｅ，ｉｎｇｎ，ｊｉＳｕｙｏｏｔｒｅｙＷｏＳａ

音圈电机原理及应用

音圈电机的原理及应用音圈电机(Voice Coil Motor)是一种特殊形式的直接驱动电机。

具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性。

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、真空管控制等。

本文将系统讨论音圈电机的工作原理、结构及其应用场合。

1. 音圈电机的工作原理1.1 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kNBIL F (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。

1.2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)。

高效能双线圈音圈电机的设计与分析

上海工程技术大学学报JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCE Vol.34No.3 Sept.2020第34卷第3期2020年9月文章编号：1009-444X(2020)03-0209-06高效能双线圈音圈电机的设计与分析吴迪，朱姿娜(上海工程技术大学机械与汽车工程学院％上海201620)摘要：针对圆筒型音圈电机轴向充磁永磁体利用率低的缺点，提出应用双层H<t<ch永磁阵列和双线圈的方式对音圈电机结构进行改进.通过有限元法分析音圈电机中永磁体充磁角度、气隙宽度及永磁体厚度等结构参数对永磁体气隙磁通密度的影响.根据仿真结果对音圈电机的磁路结构和线圈结构进行改进，改进后的音圈电机在保证推力的同时可使磁体利用率提高53%，证明提出结构具有高效性.关键词：音圈电机；H<t<ch永磁阵列；充磁角度；磁体利用率中图分类号：TM359文献标志码：ADesign and Analysis of High-Efficiency Double-Coil Voice Coil MotorWU Dt%ZHUZtna(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai Universty of Engineering Science,Shanghai201620,China)Abstract:Aiming at the shortcomings of low utilization rate of the axial magnetized permanent magnets for the cylindrical voice coil motor,a double-layer Halbach permanent magnet array and a double-coil me7hodwereproposed7oimprove7hes7ruc7ureof7hemo7or.Theinfluenceofs7ruc7uralparame7erssuch as magnetizing angle,air gap width and permanent magnet thickness on the air gap magnetic flux density of the permanent magnet in the voice coil motor were analyzed by finite element method.According to thesimulationresults,the magneticcircuitstructureandcoilstructureofthevoicecoil motor wereimproved.Theimprovedvoicecoilmotorcanincreasethemagnetutilizationrateby53%whileensuring thethrust,whichshowsthattheproposedstructurehashighe f iciency.Key words:voice coil motor；Halbach permanent magnet array；magnetization angle；magnet utilization rate近年来，随着精密制造技术的发展，音圈电机因体积小、结构简单、高频响应、高精度以及换向方便等优点而广泛应用于半导体制造设备、光学电子显微镜、振动平台和主动减振系统等高精密运动系统中音圈电机是一种特殊的直线电机，对其进行结构设计时应尽量满足以下两点[4]:1）以最少的永磁体及导磁材料，设计具有高磁通密度的均匀气隙磁场，提高工作效率，产生尽可能大的推力;2）在收稿日期：2020-05-12基金项目：国家自然科学基金资助项目（51705305）上海工程技术大学研究生科研创新资助项目（19KY0121）作者简介：吴迪（1995-），男，在读硕士，研究方向为电磁驱动器设计与控制.E-mail:S j21537@通信作者：朱姿娜"987-）,女，副教授，博士，研究方向为磁力耦合驱动、机构优化设计、机器人.E-mail:zhuzina@・210・上海工程技术大学学报第34卷满足推力要求的前提下，尽量减小音圈电机的体积和运动部分的质量，使其具有更高的加速度和快速响应能力.在不同的音圈电机设计中，为提高电机的有效输出力及动态性能，采用的技术方法主要包括选择不同磁体安装方式、磁路结构设计以及对线圈结构进行改进等'(刘华等囚研究了双磁体差动音圈电机的工作特性，主要对电机气隙磁场强度和线圈长度对结构参数的影响进行分析，归纳总结出双磁体差动音圈电机的一般设计步骤.寇宝泉等「刀对Halbach结构进行研究，得出在电机磁路设计中Halbach型永磁排列可以提供较大的气隙磁通密度正弦度•罗辞勇等⑻提出线圈前移式音圈电机结构，通过仿真分析和试验验证了这种方法可以有效解决直线型音圈电机平均出力小和出力密度不高的问题•以上研究可以看出，目前在对音圈电机结构的设计中，主要是分别对磁路结构和线圈结构进行局部的改进优化，而同时对磁路结构和线圈结构进行改进的研究不多•本文以圆筒型音圈电机为研究对象，研究设计一种应用双层Hlach特殊阵列结构磁体的直线型音圈电机，同时对音圈数量进行调整，通过采用双层线圈的形式提升音圈电机磁体的利用率，并使用有限元软件Ansoft分析结构参数对电机推力的影响•!音圈电机数学模型音圈电机是一种特殊形式的直线电机,其结构组成如图1所示，主要由永磁体、磁轭、线圈和线圈支架4个部分组成.其中，线圈绕组嵌放在线圈支架上作为电机初级，永磁体和磁轭作为电机次级•轴向充磁的圆柱永磁体在其与磁轭的气隙空间产生磁场，并作用于载流线圈，产生轴向电磁力.图1音圈电机结构Fig.1Structure of voice coil motor音圈电机的工作原理是根据安培力原理，即通电线圈在磁场中受到安培力的作用，该安培力即为电机的推力，随线圈中电流方向和大小的变化，线圈做往返直线运动•安培力可以表示为!二"/(1)式中：！为安培力，N；*为电流，A；#为磁场强度，T$为导体长度，m；I为整个导体长度的变化量•音圈电机工作时须克服动子的静摩擦力才能做直线运动•在实际应用中，电机做加减速直线运动须克服动子部分惯性力+，公式为F m二ma，(2)dt式中:m为动子部分总质量Pg；a为动子运动加速度, m/s2$为动子运动速度,m/s；t为动子运动时间,s.电机动子运动时存在动摩擦力E,与电机运动方向相反，设动摩擦系数为4电机电磁推力为E,电机的力平衡方程为F c，kv(3)F二F m.F c，m.k-(4)dt根据式(1)和式(4)可知，在对音圈电机进行设计时,可以通过改变气隙磁场强度、线圈电流大小以及线圈在磁场中的长度来提升电磁推力.同时音圈电机动子部分质量、运动速度和时间也影响电机推力.2音圈电机结构设计2.1Halbach永磁阵列磁路结构普通音圈电机的磁路结构大都采用单磁体轴向充磁，如图2(a)所示•这种充磁方式的优点是结构简单、加工容易，但永磁体充磁方向单一,仅磁极附近磁通密度强，永磁体利用率不高•Halbach永磁阵列磁路结构是一种特殊的磁路排布结构,目标是用最少量的永磁体产生最强的磁场，充磁角度偏转的Halbach永磁阵列结构示意图如图2(b)所示•相比音圈电机中的轴向充磁，此结构具有多磁极、磁通密度强的优点•普通轴向充磁与充磁角度偏转的Halbach永磁阵列磁感线分布对比如图3所示.从图3(a)可以看出，单磁体轴向充磁的方式仅磁极两侧磁感线分布密集，磁极中间部分磁感线分布稀疏•从图3(b)可以看出，Halbach永磁阵列具有特殊的单边聚磁效应，磁体下部分磁感线分布明显高于磁体上部分，并且整个磁体下部分磁感线分布都很密集，这样的排布方式有利于提升永磁体的利用率•第3期吴迪，等：高效能双线圈音圈电机的设计与分析・211・图2 单磁体与单层Halbach 永磁阵列充磁对比Fig. 2 Comparison of magnetization between single magnetand single layer Halbach permanent magnet array0.002 20.001 5-0.005 1^/(Wb-m _1)0.004 80.002 90.004 20.003 50.000 90.000 2-0.000 5-0.001 1-0.001 8-0.002 4-0.003 1-0.003 8-0.004 4A / (Wb-m _1)10.004 90.004 20.003 40.002 70.002 0!0.001 30.000 50.000 2-0.000 9-0.001 7-0.002 4-0.003 1-0.003 8-0.004 6-0.005 3-0.006 0(b)单层Halbach 永磁阵列充磁图3 单磁体与单层Halbach 永磁阵列磁感线分布对比Fig. 3 Comparison of magnetic induction linedistribution between single magnet and single layer Halbach permanent magnet array 本文考虑将2个Halbach 永磁阵列中磁通密度较强的一侧叠加形成高磁通密度磁场，并对Halbach 永磁阵列充磁角度进行研究，对典型的充磁角度为45°和90°的Hlach 永磁阵列进行对比分析.具体的研究方法为设定磁体总长度和厚度相等，对比分析充磁角度分别为45°和90°时的气隙磁通密度％种充磁角度结构示意图如图4所示. 仿真得到的气隙磁通密度曲线对比如图5所示.从图5可以看出，充磁角度为45°和90°的Hlach永磁阵列磁通密度分布趋势大致相同，但充磁角度为45°的磁体结构磁通密度曲线峰值明显高于充磁角度为90°的磁体结构，并且在峰值附近气隙磁通密度波动平缓，因此产生的安培力相对稳定，有利于音圈电机出力的平稳性•充磁角度为45°的双层Halbach 永磁阵列的磁感线分布如图6所示.从图6磁感线分布可以看出，与图3(b)中单层Hlach 永磁阵列磁感线的分布不同，图6中磁感线分布集中且磁通密度强•因此将充磁角度为45°的双层Halbach 永磁阵列作为进一步研究的对象.permanent magnet array with different magnetization angles图5充磁角度为45°和90°的双层Halbach 永磁阵列气隙磁通密度曲线对比Fig. 5 Comparison of air gap magnetic flux density curvesof double-layer Halbach permanent magnet array withmagnetization angles of 45° and90°・212・上海工程技术大学学报第34卷/(Wb-m_1)Y.0.0090I0.0076■0.00630.00490.00350.00210.0007-0.0007-0.0020-0.0034-0.0048.-0.0062.-0.0076.-0.0090■-0.0103mm 050100图6充磁角度为45°时双层Halbach永磁阵列磁感线分布图Fig.6Magnetic induction lines distribution ofdouble-layer Halbach permanent magnet arraywith magnetization angle of45°为进一步研究结构参数对电机性能的影响，采用有限元仿真对电机主要结构参数进行研究，主要研究气隙宽度和磁体厚度对磁通密度的影响•首先分析气隙宽度对磁通密度的影响，分别仿真气隙宽度为2、4、6和8mm时气隙磁通密度沿电机轴向的分布，如图7所示.从图中可以看出，随着气隙宽度的增大，磁通密度逐渐减小，且4种不同尺寸气隙磁通密度沿轴向分布趋势相同•气隙宽度为2mm时磁通密度最强，但是由于气隙宽度过小不利于线圈的装配和散热，因此选定气隙宽度为4mm作为进一步研究的对象.气隙宽度确定4mm 后对磁体厚度进行研究，分别研究磁体厚度为5、7、％和11mm时磁通密度的分布•仿真得到不同磁体厚度时磁通密度沿电机轴向的分布情况，如图8所示.通过图8可知，随着磁体厚度的增大，气隙磁通密度也增大，但随着磁体厚度的增大气隙磁通密度增量相对有所减缓，因此，为节约成本并提升永磁体的利用率，选择磁体厚度为5mm.2.2线圈结构音圈电机中永磁材料的费用在制造成本中比重很大，考虑音圈电机的制造成本，选择合适的线圈设计结构以减少永磁材料的体积十分必要•目前音圈电机大都采用单音圈结构，具有结构简单且响应速度快的优点，但是单音圈结构电流负载受限,制约音圈电机推力的提升•针对该问题，结合式（1）一0—气隙宽度为2mm…。

音圈电机直流驱动电路设计

音圈电机直流驱动电路设计作者：邵琳达赵英伟来源：《科技创新与应用》2016年第24期摘要：根据音圈电机的特点，文章设计了一种音圈电机直流驱动电路。

该电路基于反相放大的原理，实现了对驱动信号的双倍放大，增加了放大倍数。

同时，设计了电压保护电路以消除电机反电动势对电路本身的影响，防止损坏电路。

为避免驱动电压过大对电机造成损坏，设计了电流监控模块。

当驱动电流过大时，即让电机停止工作，以起到保护电机的效果。

实验结果表明，该电路可有效实现对电机的驱动，并已经成功用于音圈电机的控制系统中。

关键词：音圈电机；直流驱动电路；电压保护；电流监控作为一种直线运动电机，音圈电机具有推力大、行程远、体积小、运动连续的特点[1][2]，采用合适的闭环控制方式和高精度的位移传感器可以使运动精度达到微米量级[3]。

现广泛应用于二维精密定位[4]，系统隔振[5]以及光学振动台[6]的设计中。

音圈电机种类繁多，主要包括直线型与曲线型两种方式[1]。

由于与其他形式的电机区别较大[7][8][9]，通用的电机驱动器无法满足音圈电机的应用需求。

另外，音圈电机是一种功率型器件，需要驱动系统为其提供强大的功率，所以需要针对音圈电机的特点为其设计专用的驱动模块。

音圈电机的驱动方式主要包括：直流驱动以及PWM方式驱动。

PWM驱动方式目前是一种比较常见的电机驱动方式。

但是，这种方式通常需要专用的芯片，价格较高[10][11]。

另外，这种工作方式下的输入输出信号不满足线性关系，会增加控制器的设计难度。

而直流驱动的方式则简单直观，价格便宜，且输入输出信号满足线性关系，可以简化控制器的设计。

文章针对音圈电机的特点设计了一种直流驱动电路，并对电路的原理进行了详细介绍。

同时，设计了相应的电流监控模块以及保护电路，保障了电机及电路的正常工作。

1 音圈电机直流驱动电路原理简介音圈电机直流驱动电路的原理框图如图1所示。

中的控制信号X（t），设计范围为-5V～+5V。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

・
５４・
工业仪表与自动化装置
２０１７年第２期
音圈电机驱动系统设计与分析
郭红利，张李娴，钱俊兵，李敏通，侯俊才
（１．西北农林科技大学机电学院，陕西杨凌７１２１００；２．昆明理工大学机电工程学院，昆明６５０５００）摘要：作为直线作动的音圈电机具有直接驱动、快速响应、结构简单等优点。为了充分发挥其性能，基于经济性和高性能考虑，进行了“ 微控器＋功能模拟电路 ” 音圈电机驱动控制硬件系统设
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｖｏｉｃｅｃｏｉｌｍｏｔｏｒｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙａｓａｌｉｎｅａｒａｃｔｕａｔｏｒｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｆｏｒｃｅｓｗｉｔｈｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅ，ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅ，ｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｘｉｍｉｚｅｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｐｉｎｒｃｉｐｌｅｏｆｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｐｅｒｆｏｍａｒｎｃｅ，ａｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｖａｒｉｏｕｓａｎａｌｏｇｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｕｌｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｄｉｖｒｅｒ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏ —ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，Ｈｆｕｌｌ—ｂｉｄｒｇｅｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｕｒｒｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ，ｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｎｄｉｌｆｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｖａｒｉｏｕｓｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｄｉｖｒｅｒｉｓｖｅｒｉｉｅｆｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｏｉｃｅｃｏｉｌｍｏｔｏｒ；ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ；ｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ；ａｃｔｕａｔｏｒ
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａａｎｘｉＹａｎｇｌｉｎｇ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；２．ＦａｃｕｌｔｙｆｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０５００，Ｃｈｉｎａ）
计。在设计中，提出综合采用数字电路与模拟电路的设计方案；设计了微控量电路等；通过电路建模仿真、实验测试和实际应用，验证了驱动板的设计有
效性。
关键词：音圈电机；驱动系统；电路设计；作动器中图分类号：ＴＨ１１３文献标识码：Ａ文章编号：１０００— ０６８２（２０１７）０２— ００５４— ０５
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｖｏｉｃｅｃｏｉｌｍｏｔｏｒｓｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ
ＧＵ０Ｈｏｎｇｌｉ，ＺＨＡＮＧＬｉｘｉａｎ，ＱＩＡＮＪｕｎｂｉｎｇ，ＬＩＭｉｎｔｏｎｇ ‘ ，Ｈ０ＵＪｕｎｃａｉ