The linear position tracking servo systemusing a linear voice-coil motor

More and more linear servo systems have been used in servo applications. Direct drive technology can greatly increase the bandwidth and the tracking accuracy. A position servo-system based on linear voice-coil motor was designed for one linear oscillation movement application. Besides the conventional position, speed and current control loops, the speed and acceleration feed-forward control of command position signal were also used. The experimental test proved the correctness of the design, and the system can track the given periodic sinusoid position command signal of 15Hz with high accuracy. The linear voice-coil motor is very suitable for short stroke position tracking application with high dynamic response.

Overview of Position Servo Control Technology and Development of Voice Coil Motor

Voice coil motor(VCM) is a special direct drive linear motor, which can convert electric energy directly into mechanical energy without the use of transmission mechanism. VCM has the advantages of simple structure, good rigidity, fast response, silence, high linearity, no cogging force, no pulsation et al. It is widely used in the field of high-precision control. This paper reviews and summarizes the results of VCM research conducted by scholars from various countries, and summarizes the general situation of VCM servo control technology. Firstly, a basic description of VCM’s mathematical model and common control mechanisms is provided. The benefits, drawbacks, and application of control techniques in the field of VCM are all explored in detail;At the same time, the methods to improve control strategy are proposed;Then, combined with the analysis and research of scholars in various countries on VCM, the problems of difficult to establish accurate model, friction disturbance and mechanical vibration of VCM and the solutions to the corresponding problems are summarized;Finally, a summary of VCM’s application fields is provided.

VCM-DDV建模与控制仿真

基于AMESim和Simulink的协同仿真环境,对新型音圈电机直接驱动伺服阀(VCM-DDV,Voice Coil Motor-Direct Drive Valve)进行了仿真研究.采用AMESim建立了VCM-DDV的非线性模型及虚拟液压测试系统,采用Simulink建立了数字控制器模型,通过接口组成了协同仿真环境.将VCM-DDV视为线性部分与非线性部分叠加,并将非线性部分视为线性系统状态空间的一个状态,建立了系统的状态空间模型.用全状态观测器得到非线性干扰项,设计了LQR(Linear Quadratic Regulator)全状态反馈和非线性补偿的复合控制方法.仿真结果表明:非线性补偿提高了系统的稳态控制精度,LQR状态反馈可以使系统达到需要的动态性能.

基于分数阶PID的宏微复合驱动器宏动控制策略

针对宏微复合驱动器控制系统中存在定位误差大和调节时间长的问题,提出了一种基于次最优分数阶PID的控制策略。简述了宏微复合驱动器结构及工作原理,并基于电磁驱动原理建立了宏动部分数学模型;设计了分数阶PID控制器,并采用遗传算法和次最优的方法对控制器进行参数整定;通过数值仿真和实验验证了分数阶PID控制器的有效性。结果显示,采用分数阶PID控制器相较于传统PID控制器在5 mm以及更大定位行程中位移超调量下降超过57%,调节时间减少超过24%,且行程越大驱动器采用分数阶PID控制器控制效果越明显。研究结果表明,分数阶PID控制器在宏微复合驱动器宏动系统中的控制效果明显优于传统PID控制器。

基于图像处理的VCM磁钢片尺寸快速检测方法

影响我国音圈电动机(VCM)产业发展的技术瓶颈之一是VCM联合检测技术,而该技术的核心为基于摄像机(CCD)的图像处理软件。运用数字图像处理技术对VCM磁钢片图像进行去噪、边缘检测、边缘连接,以及位置校正等处理,以便获取清晰的图像边缘,运用最小二乘圆曲线拟合算法拟合图像边缘,结合系统标定值,计算出VCM磁钢片的尺寸,通过检测尺寸与设计尺寸的误差来判断零件合格与否。实验表明,该方法具有非接触、无污染、高精度、客观和快速等特点,可极大地提高检测效率,在VCM产业检测中具有现实意义。

音圈电机全局自适应非奇异快速终端滑模控制

为了改善音圈电机驱动系统的动态性能,课题组提出了一种全局自适应非奇异快速终端滑模控制策略。在非奇异快速终端滑模控制器的基础上,引入全局滑态因子,改善系统的瞬态响应;同时将自适应控制和非奇异快速终端滑模控制相结合,利用自适应控制可以根据系统的实时状态和外部干扰自动调整参数的特点,来减小扰动、提高系统的鲁棒性和抗干扰性;将控制律中的符号函数改为一种边界层的饱和函数来削弱振动;通过李亚普诺夫稳定性理论证明所提出的控制器的稳定性;最后,将全局自适应非奇异快速终端滑模控制与比例积分微分控制(proportional integral derivative,PID)和滑模控制(sliding mode control,SMC)进行仿真对比。结果表明:与PID控制和滑模控制相比,所提出的全局自适应非奇异快速终端滑模控制提高了系统的动态响应速度和控制精度,有效改善了系统的动态性能。

基于相位稳定的音圈电机鲁棒控制器设计

为了解决传统增益稳定设计方法无法抑制输入干扰及鲁棒性较差的问题,提出了一种基于相位稳定的鲁棒控制策略。首先,引入第二相位裕度设计相位稳定控制器;其次,为了保证模型参数摄动后系统的鲁棒性能,给出了一种根据鲁棒性能条件优化控制器参数的方法;最后,通过仿真验证了所提策略的有效性,结果表明所设计的控制器可以有效抑制输入干扰并满足摄动系统鲁棒性能要求。

音圈电机驱动微定位平台线性自抗扰滑模控制

针对音圈电机驱动柔性微定位平台控制速度和精度低以及抗干扰能力弱等问题,设计了一种将滑模控制和线性自抗扰控制相结合的复合控制器来提高平台系统的控制性能。首先,搭建了音圈电机驱动复合双平行四杆柔性机构的微定位平台和实验系统,并进行了系统辨识;其次,设计了线性自抗扰控制器,利用线性扩张状态观测器估计系统的内外扰动并在线进行扰动补偿,针对线性自抗扰控制器性能优化上的局限性,提出滑模控制器解决相位滞后问题来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所搭建的实验平台对控制方法进行了实验验证。结果表明,滑模和线性自抗扰复合控制器能够很好地克服内外干扰,与经典PID控制和单独的线性自抗扰控制相比,跟踪正弦波信号的最大误差分别减小了52.98%和21.26%,满足了微定位平台高精高速的控制要求。

基于NI-LabVIEW环境的VCM特性参数测控系统

针对测试手机自动调焦音圈电机(VCM)灵敏度、启动电流、最大行程等特性参数的要求。利用激光位移传感器采集VCM在给定电流下的位移信号;以单片机作为控制单元,实现VCM的恒流驱动控制、初始数据处理,通过单片机双串口功能实现单片机与传感器,单片机与上位机通信;NI-Labview作为软件平台实现后续数据处理、显示和保存测试结果,实现VCM特性参数测试系统设计。实验表明本系统能实现测试VCM各项特性参数,并达到VCM要求的参数标准。本系统检测快速,操作简单,测试结果直观,对VCM的生产检验具有重大的实际工程意义。

DSP的VCM低频主动隔振控制系统设计

音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)因其良好的线性驱动性能,在主动隔振系统中作为主动吸振器的驱动器日益受到人们的青睐。本文设计了一种应用于低频主动隔振系统中,基于DSP的VCM控制系统,给出了软、硬件设计方法,并介绍了一种基于时钟节拍和消息机制的软件系统的工作原理。

Beam design for voice coil motors used for energy harvesting purpose with low frequency vibrations:A finite element analysis

In this study,a numerical approach is established to design a beam coupled to a Voice Coil Motor(VCM)with the aim to maximize the displacement in the inductive transducer.A finite element model is developed to simulate a VCM with different beams applying a harmonic analysis.The VCM is extracted from a recycled hard disk drive(HDD)and a parametric modal analysis is performed to identify the material parameters of the HDD and the beam.These parameters are obtained comparing the real vibration modes and natural frequencies(VCM-beam)with those determined from the finite element model.A numerical-experimental case study is carried out to demonstrate that if a beam is designed for a specific low frequency vibration between 0 and 10 Hz,the displacements are maximized in the VCM.For this purpose,real acceleration measurements taken from three individuals are used to provide the vibration signals in the numerical model.A beam is designed for one of the individuals using the natural frequency values determined from the measured signals.Results show that the displacements are maximized in the model which coincides with the natural frequency of the chosen individual.The main purpose of this research is to establish a design tool for energy harvesting purposes with VCM based on low frequency vibration sources as for example gait motions.

基于自学习非线性PID的音圈电机精密定位系统

基于音圈电机的精密宏微气浮运动系统,是一种能克服接触摩擦和行程限制的新型精密定位系统。针对系统中用于精密定位的音圈电机受到内外扰动从而影响系统最终定位精度的问题,在建立起音圈电机数学模型的基础上,设计了基于反正弦函数的自学习非线性PID控制器,利用自学习算法对非线性增益函数的增益系数进行实时调整。完成算法设计与仿真后,在搭建的系统平台分别进行了微动台短行程定位和宏微动台的长行程定位实验。仿真和实验结果表明,与传统PID控制器相比较,自学习非线性PID控制器的使用有效提高了系统的鲁棒性和定位精度,系统对位置指令响应迅速无超调,控制精度达到了亚微米级。

基于模糊PID控制的音圈电机控制系统研究

在电动按摩座椅中,通常使用直流电机驱动齿轮带动仿生机械手旋转,模拟各种按摩手势动作。但实施点法动作时,容易产生电机堵转以及长时间堵转损坏齿轮的问题。使用音圈电机直接驱动仿生机械手来实现点法动作,简化机械结构,与直流电机相比,具有响应快、推力大、可靠性高等特点。利用光耦和隔离运算放大器将音圈电机侧电路与控制器侧电路进行隔离,有效解决电机在调速过程中产生的电源干扰。基于反激式电源设计出三路不同电平的主功率电源,产生七级电平。根据用户选择的按摩模式和按摩力度,选择合适的电平用于驱动音圈电机,有效地降低电机电源的电压纹波和电流纹波。利用位置控制环、速度控制环和电流控制环三环实现音圈电机的闭环控制。根据音圈电机实现位移误差,利用模糊控制器来修正PID控制参数,使系统拥有更好的动态响应和控制精度。

音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术

针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求,研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型,采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型,同时建立音圈制动器的电磁驱动模型,并进行关键参数的迭代设计确定最优参数;以Matlab/Simulink为联合仿真平台,建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口,结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真,并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证50Hz成像周期下回扫补偿残差与相位滞后,其中实测回扫补偿残差0.0365mrad,相位滞后2.6ms,虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求;并对系统的开环频响曲线进行对比,中低频幅值响应误差不超过10%。仿真和实验结果表明,该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。

大型分块式空间望远镜主镜合像/振动一体化控制方法

面向在轨组装的分块式空间望远镜主镜高精度合像与稳像调整问题,设计一种音圈电机驱动的六自由度子镜主动调整机构,并考虑星体柔性附件和角动量装置等微振动源影响提出一种分散式力控制方法,完成镜面位姿的高精度控制,实现分块镜合像与振动一体化控制.本文先推导了像差与子镜位姿参数之间的光学灵敏度矩阵形式,以Gram-Schmidt正交化方法得到了正六边形孔径的Zernike像差多项式;建立分块式空间望远镜整星动力学模型,基于音圈电机设计六自由度子镜主动调整机构,并提出涡流传感器阵列的位姿解算方法;提出在轨组装后的分块式空间望远镜控制方案,针对子镜的TTP(tip,tilt,piston)误差与微振动干扰,利用子镜位姿目标量与作动器期望长度的解析式,设计带有前馈补偿和速度反馈的分散式音圈电机控制器用于电机输出力和子镜位姿调整,实现合像与振动控制;仿真验证并计算成像质量评价指标,结果表明提出的控制方法可实现分块式空间望远镜高精度合像与稳像调整,调整速度快、精度高、振动衰减强.

基于三维扫描振镜系统音圈电机的离散滑模控制

近20 a来,激光扫描技术被广泛应用于工业加工领域,三维扫描振镜作为一种更高效的激光加工仪器,其核心部件和关键技术主要依靠国外进口。针对国内对三维扫描振镜系统研究较少,且在传统控制方法下,振镜电机普遍存在阶跃响应慢和控制精度低等问题,设计了一种基于新型趋近律与干扰补偿器相结合的离散滑模控制器,该控制方法有效补偿了外部的干扰,具有强鲁棒性。首先,建立基于三维扫描振镜系统的音圈电机线性动力学模型,并对该模型离散化,构建其离散状态空间方程;其次,依据滑模变结构控制理论设计离散系统控制器;最后,通过Simulink搭建控制系统的仿真模型,仿真结果表明:1%和10%的全行程阶跃响应时间分别为2.1 ms和2.4 ms,10%全行程正弦信号位置跟踪的定位精度在3×10^(-4) mm以内,实现了对指令信号的完全跟踪,达到了工程应用要求,为高速三维扫描振镜系统的控制研究提供了新的思路。

SOA在音圈电机控制系统中应用仿真研究

针对传统的PID参数整定方法存在对音圈电机控制精度不足以及响应速度慢等问题,提出了基于人群搜索算法(SOA)快速寻找音圈电机最佳PID控制参数。选取音圈电机的数学模型作为被控对象,利用SOA算法随机生成初始搜寻者并将搜寻者个体的位置参数依次赋给PID控制参数,并计算音圈电机系统的性能指标,再通过循环迭代更新搜寻者的位置直到满足系统期望指标为止。仿真结果表明,相比于粒子群算法(PSO)、遗传算法(GA),SOA算法能够有效减小系统的超调量并缩短调节时间,同时具有一定的抗干扰能力,在音圈电机控制系统中具有一定的应用价值。

全簧片式空间大行程并联柔性微定位平台及其轨迹控制

为了解决传统微定位平台运动范围小、寄生运动和交叉轴耦合严重导致运动精度低等问题,提出了一种音圈电机驱动的全簧片式大行程、空间多自由度并联柔性解耦微定位平台。首先,介绍了含簧片型柔性球铰的大行程多自由度并联柔性机构的结构和变形原理。接着,以空间三自由度为例,推导了动平台的运动学方程,建立了机构的输入刚度模型,并基于柔度矩阵法对柔性球铰进行了柔度建模和设计,从而确定了微定位平台的参数。此外,分别对三自由度方向进行了系统动力学模型辨识,并基于模型设计了一种相位超前PI反馈控制结合滑模前馈控制的复合控制器。最后,搭建了平台实验系统来验证其轨迹跟踪性能。实验结果表明:与经典的PID控制相比,该复合控制方法能够使得轨迹跟踪性能提高95%以上,加入的滑模前馈也能够有效消除单纯反馈控制产生的相位滞后。并且,所提出的多自由度微定位平台能够实现±3.23 mm×±21.50 mrad×±20.30 mrad的运动范围,具有行程大、稳定性好和精度高等特点,可以用于许多需要大行程高精度的空间定位场合。

音圈直线电机滑模变结构控制方法

为了消除音圈直线电机的非线性摩擦特性对系统定位精度的影响,利用机理建模方法建立线性模型描述音圈直线电机系统的幅频及相频特性并采用最小二乘法辨识模型参数。此外,采用摩擦力测试和牛顿第二定律得到系统的等效非线性项参数,利用辨识得到的线性模型与等效非线性项参数,设计了一种含有等效非线性控制项的滑模变结构控制器。实验结果表明,提出的控制方法能够改善音圈直线电机的定位精度,并提升了系统的动态性能。

Research trends in methods for controlling macro-micro motion platforms

With ongoing economic,scientific,and technological developments,the electronic devices used in daily lives are developing toward precision and miniaturization,and so the demand for high-precision manufacturing machinery is expanding.The most important piece of equipment in modern high-precision manufacturing is the macro-micro motion platform(M3P),which offers high speed,precision,and efficiency and has macro-micro motion coupling characteristics due to its mechanical design and composition of its driving components.Therefore,the design of the control system is crucial for the overall precision of the platform;conventional proportional–integral–derivative control cannot meet the system requirements,and so M3Ps are the subject of a growing range of modern control strategies.This paper begins by describing the development history of M3Ps,followed by their platform structure and motion control system components,and then in-depth assessments of the macro,micro,and macro-micro control systems.In addition to examining the advantages and disadvantages of current macro-micro motion control,recent technological breakthroughs are noted.Finally,based on existing problems,future directions for M3P control systems are given,and the present conclusions offer guidelines for future work on M3Ps.