音圈电机位置伺服控制系统的研究
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Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON POSITION SERVO CONTROL SYSTEM FOR VOICE COIL MOTOR
Candidate：
Liu Lili
Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation：
其次，在音圈电机数学模型的基础上对音圈电机的控制策略进行了研究，并建 立了音圈电机位置伺服系统的仿真模型。根据伺服系统的特点，建立了位置和电流 的双闭环控制系统。其中，电流环通过硬件电路加以实现，从而保证系统电流的快 速跟随特性；而位置环由 DSP2808 来完成，位置反馈则是由光栅尺来实现。位置环 采用位置前馈控制和位置反馈 PID 反馈控制，目的是用以补偿系统的动态滞后，提 高系统的响应速度。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Baidu Nhomakorabea摘要
音圈电机是基于洛伦兹力原理设计而成的一种直流直线电机，它具有良好的 静、动态性能和控制特性。由于其无需传动机构即可获得直线运动，因此消除了传 动机构带来的机械磨损，在位置伺服控制的基础上可以实现精密的位置伺服，尤其 在短行程高频往复直线运动的精密加工场合中具有广阔的应用前景。
音圈电机位置伺服控制系统的研究
硕 士 研 究 生：刘丽丽
导
师： 李立毅教授
申 请 学 位：工学硕士
学
科： 电气工程
所 在 单 位：电气工程及自动化学院
答 辩 日 期：2010 年 7 月
授 予 学 位 单 位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TM301.2 U.D.C: 621.3
硕士学位论文
音圈电机位置伺服控制系统的研究
RESEARCH ON POSITION SERVO CONTROL SYSTEM FOR VOICE COIL MOTOR 刘丽丽
2010 年 7 月
国内图书分类号：TM301.2 国际图书分类号：621.3
学校代码：10213 密级：公开
工学硕士学位论文
To the applications of voice coil motor position servomechanism, this thesis makes a major study of voice coil motor control system’s development, mathematical model, simulation study, actual system structure and related test as well as test data analysis.
关键词：音圈电机；前馈控制；PWM；位置伺服系统
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Voice coil motor is a kind of DC motor based on the Lorentz force principle, it has good static and dynamic performance and control characteristics. As it can obtain rectilinear motion without any revolving gear, there is no transmission machinery wear. Therefore it can achieve precise position servomechanism, especially in occasions of the precision machining of short stroke high-frequency reciprocating linear motion it has broad application prospects.
根据上述工作的基础上，对音圈电机位置伺服控制系统的软件实现和硬件系统 进行了设计。硬件系统设计工作包括：功率驱动电路设计、DSP 及其外围电路设计， 电平匹配电路设计以及接口电路设计。软件设计包括：主程序设计、中断程序设计 以及控制算法程序和滤波程序的编写等。
最终，根据所建立的伺服系统实验平台进行了相关的试验研究和试验数据分 析，验证了所建立系统的正确性并对理论和所产生的试验误差进行了分析。
Date of Defence：
Prof. Li Lily Master of Engineering Electrical Enginnering School of Electrical Engineering and Automation
July, 2010
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology
According to the work done above, the software and hardware of the voice coil motor position servomechanism are designed. Hardware system mainly designs the power driving circuit of the system, DSP, its peripheral circuits, electric level matching circuit and interface circuit. Software design includes the design of the main program, the interrupt program, the program of the motor’s auto zero, the control algorithm program and filtering program.
Keywords: Voice Coil Motor; Feed-forward Control; PWM; Position Servo System
- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘 要 ................................................................................................................................. I
Abstract...............................................................................................................................II 目 录 .............................................................................................................................. III 第 1 章 绪 论 .................................................................................................................... 1
1.2.1 音圈电机发展现状 .......................................................................................... 2 1.2.2 音圈电机伺服系统发展 .................................................................................. 2 1.3 音圈电机伺服控制相关技术发展.......................................................................... 5 1.3.1 控制理论的发展 .............................................................................................. 5 1.3.2 微处理器的发展 .............................................................................................. 6 1.3.3 位置传感器技术发展 ...................................................................................... 7 1.4 本课题主要研究内容.............................................................................................. 8 第 2 章 音圈电机及其控制系统数学模型建立 .............................................................. 9 2.1 引言.......................................................................................................................... 9 2.2 音圈电机的工作原理.............................................................................................. 9 2.3 音圈电机的数学模型............................................................................................ 10 2.3.1 音圈电机电压平衡方程 ................................................................................ 10 2.3.2 电机的力平衡方程 ........................................................................................ 11 2.3.3 电机的数学模型 ............................................................................................ 11 2.4 音圈电机的动态特性............................................................................................ 12 2.5 电机的最佳控制参数............................................................................................ 13 2.6 本章小结................................................................................................................ 15 第 3 章 音圈电机控制策略研究及仿真分析 ................................................................ 16 3.1 音圈电机控制系统组成........................................................................................ 16 3.2 音圈电机控制方法策略........................................................................................ 16 3.3 音圈电机的PWM驱动技术 .................................................................................. 17 3.3.1 音圈电机的双极性可逆PWM驱动技术....................................................... 18 3.3.2 PWM驱动时脉动电流计算............................................................................ 19 3.4 控制系统仿真........................................................................................................ 21 3.4.1 音圈电机电流环设计 .................................................................................... 22 3.4.2 音圈电机位置环设计 .................................................................................... 26 3.5 本章小结................................................................................................................ 30 第 4 章 音圈电机伺服控制系统设计 ............................................................................ 31
本文主要针对音圈电机位置伺服系统的应用场合，对音圈电机控制系统进行了 研究。整理并分析了音圈电机控制系统的发展现状，并建立了控制系统的数学模型， 进行了仿真分析，搭建实际系统，最终进行了相关试验研究。
首先，本文介绍了音圈电机的基本结构和工作原理，在此基础上建立了音圈电 机的数学模型并给出了传递函数关系式，对其动态特性和最佳控制参数进行了分 析。
Then based on the mathematical model of voice coil motor the thesis makes a study on control strategies of the voice coil motor, and creates a simulation model of voice coil motor position servomechanism. According to the characteristics of servomechanism, it creates a triple closed-loop control system including the position and current closed-loop. The current loop is implemented by hardware circuitry, in order to achieve the rapid follow of the system current. The position loop is completed by the DSP2808. The position feedback is achieved by linear scales. The position loop is completed by position feed forward control and position feedback PID control, in order to compensate for the dynamic lag and improve the response speed of the system.
1.1 课题背景及研究意义.............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状...................................................................................................... 2
Initially this article describes the basic structure and working principle of voice coil motor. Based on this it sets up a mathematical model of the motor, reveals the transfer function relationship, and makes an analysis on the dynamic characteristics and optimal control parameters.
RESEARCH ON POSITION SERVO CONTROL SYSTEM FOR VOICE COIL MOTOR
Candidate：
Liu Lili
Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation：
其次，在音圈电机数学模型的基础上对音圈电机的控制策略进行了研究，并建 立了音圈电机位置伺服系统的仿真模型。根据伺服系统的特点，建立了位置和电流 的双闭环控制系统。其中，电流环通过硬件电路加以实现，从而保证系统电流的快 速跟随特性；而位置环由 DSP2808 来完成，位置反馈则是由光栅尺来实现。位置环 采用位置前馈控制和位置反馈 PID 反馈控制，目的是用以补偿系统的动态滞后，提 高系统的响应速度。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Baidu Nhomakorabea摘要
音圈电机是基于洛伦兹力原理设计而成的一种直流直线电机，它具有良好的 静、动态性能和控制特性。由于其无需传动机构即可获得直线运动，因此消除了传 动机构带来的机械磨损，在位置伺服控制的基础上可以实现精密的位置伺服，尤其 在短行程高频往复直线运动的精密加工场合中具有广阔的应用前景。
音圈电机位置伺服控制系统的研究
硕 士 研 究 生：刘丽丽
导
师： 李立毅教授
申 请 学 位：工学硕士
学
科： 电气工程
所 在 单 位：电气工程及自动化学院
答 辩 日 期：2010 年 7 月
授 予 学 位 单 位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TM301.2 U.D.C: 621.3
硕士学位论文
音圈电机位置伺服控制系统的研究
RESEARCH ON POSITION SERVO CONTROL SYSTEM FOR VOICE COIL MOTOR 刘丽丽
2010 年 7 月
国内图书分类号：TM301.2 国际图书分类号：621.3
学校代码：10213 密级：公开
工学硕士学位论文
To the applications of voice coil motor position servomechanism, this thesis makes a major study of voice coil motor control system’s development, mathematical model, simulation study, actual system structure and related test as well as test data analysis.
关键词：音圈电机；前馈控制；PWM；位置伺服系统
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Voice coil motor is a kind of DC motor based on the Lorentz force principle, it has good static and dynamic performance and control characteristics. As it can obtain rectilinear motion without any revolving gear, there is no transmission machinery wear. Therefore it can achieve precise position servomechanism, especially in occasions of the precision machining of short stroke high-frequency reciprocating linear motion it has broad application prospects.
根据上述工作的基础上，对音圈电机位置伺服控制系统的软件实现和硬件系统 进行了设计。硬件系统设计工作包括：功率驱动电路设计、DSP 及其外围电路设计， 电平匹配电路设计以及接口电路设计。软件设计包括：主程序设计、中断程序设计 以及控制算法程序和滤波程序的编写等。
最终，根据所建立的伺服系统实验平台进行了相关的试验研究和试验数据分 析，验证了所建立系统的正确性并对理论和所产生的试验误差进行了分析。
Date of Defence：
Prof. Li Lily Master of Engineering Electrical Enginnering School of Electrical Engineering and Automation
July, 2010
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology
According to the work done above, the software and hardware of the voice coil motor position servomechanism are designed. Hardware system mainly designs the power driving circuit of the system, DSP, its peripheral circuits, electric level matching circuit and interface circuit. Software design includes the design of the main program, the interrupt program, the program of the motor’s auto zero, the control algorithm program and filtering program.
Keywords: Voice Coil Motor; Feed-forward Control; PWM; Position Servo System
- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘 要 ................................................................................................................................. I
Abstract...............................................................................................................................II 目 录 .............................................................................................................................. III 第 1 章 绪 论 .................................................................................................................... 1
1.2.1 音圈电机发展现状 .......................................................................................... 2 1.2.2 音圈电机伺服系统发展 .................................................................................. 2 1.3 音圈电机伺服控制相关技术发展.......................................................................... 5 1.3.1 控制理论的发展 .............................................................................................. 5 1.3.2 微处理器的发展 .............................................................................................. 6 1.3.3 位置传感器技术发展 ...................................................................................... 7 1.4 本课题主要研究内容.............................................................................................. 8 第 2 章 音圈电机及其控制系统数学模型建立 .............................................................. 9 2.1 引言.......................................................................................................................... 9 2.2 音圈电机的工作原理.............................................................................................. 9 2.3 音圈电机的数学模型............................................................................................ 10 2.3.1 音圈电机电压平衡方程 ................................................................................ 10 2.3.2 电机的力平衡方程 ........................................................................................ 11 2.3.3 电机的数学模型 ............................................................................................ 11 2.4 音圈电机的动态特性............................................................................................ 12 2.5 电机的最佳控制参数............................................................................................ 13 2.6 本章小结................................................................................................................ 15 第 3 章 音圈电机控制策略研究及仿真分析 ................................................................ 16 3.1 音圈电机控制系统组成........................................................................................ 16 3.2 音圈电机控制方法策略........................................................................................ 16 3.3 音圈电机的PWM驱动技术 .................................................................................. 17 3.3.1 音圈电机的双极性可逆PWM驱动技术....................................................... 18 3.3.2 PWM驱动时脉动电流计算............................................................................ 19 3.4 控制系统仿真........................................................................................................ 21 3.4.1 音圈电机电流环设计 .................................................................................... 22 3.4.2 音圈电机位置环设计 .................................................................................... 26 3.5 本章小结................................................................................................................ 30 第 4 章 音圈电机伺服控制系统设计 ............................................................................ 31
本文主要针对音圈电机位置伺服系统的应用场合，对音圈电机控制系统进行了 研究。整理并分析了音圈电机控制系统的发展现状，并建立了控制系统的数学模型， 进行了仿真分析，搭建实际系统，最终进行了相关试验研究。
首先，本文介绍了音圈电机的基本结构和工作原理，在此基础上建立了音圈电 机的数学模型并给出了传递函数关系式，对其动态特性和最佳控制参数进行了分 析。
Then based on the mathematical model of voice coil motor the thesis makes a study on control strategies of the voice coil motor, and creates a simulation model of voice coil motor position servomechanism. According to the characteristics of servomechanism, it creates a triple closed-loop control system including the position and current closed-loop. The current loop is implemented by hardware circuitry, in order to achieve the rapid follow of the system current. The position loop is completed by the DSP2808. The position feedback is achieved by linear scales. The position loop is completed by position feed forward control and position feedback PID control, in order to compensate for the dynamic lag and improve the response speed of the system.
1.1 课题背景及研究意义.............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状...................................................................................................... 2
Initially this article describes the basic structure and working principle of voice coil motor. Based on this it sets up a mathematical model of the motor, reveals the transfer function relationship, and makes an analysis on the dynamic characteristics and optimal control parameters.