毕业设计论文音圈电机主动抗振系统设计.doc

目录摘要 1Abstract 21 绪论 31.1 课题意义 31.2 国内外的研究情况 31.3 主要任务 52 系统组成 62.1 直线音圈电机原理 62.1.1 直线音圈电机 62.1.2 一维系统驱动原理图 62.1.3 音圈电机数学模型 62.2 PID算法 82.3 空气弹簧 112.3.1 空气弹簧隔振器力学模型 112.3.2 空气弹簧隔振器的固有频率 142.3.3 隔振的评价 172.4 电容式加速度传感器 182.4.1 电容式加速度传感器的数学模型 182.5 放大电路，滤波电路设计 222.5.1 仪用放大器 222.5.2 低通有源滤波器 233 系统设计 254 模拟结果 26结论 31谢辞 32参考文献 33音圈电机主动抗振系统设计摘要：随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展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，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景。

本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、分析关键字：主动隔振 音圈电机 PIDAbstract: In company with development of precision instrument，the correlation technique research has continually specialized．At the same time the application of precision instrument has reinforced unceasingly．Among them，Low Frequency micro-vibration is a vitally important research topic．It has primary influence to precision instrument's normal work．It has been attached importance by many states all over the world．Substantive manpower and material resources has been plunged to study it．Adopting Voice Coil Motor has obvious advantage to keep apart Low Frequency vibration in initiative antiviebration region．Voice Coil Motor has lots of excellent performances including simple structure，compactness，high speed，high acceleration,speedy response，linear force，nice stroke and so on．So it has wide research future in exact instrument and precision industry region．According to consulting and investigating a great deal of literary around both here and abroad，initiative control and passive control has been adjoined to form hybrid vibration shielding system．By air spring for passive vibration isolation elements，by Voice Coil Motor for active vibration isolation elements，incorporating sublevel vibration source，its isolation capability was tested and analyzed and mixed Vibration Isolation System was completed design，emulation and analyses.Keyword: Active vibration isolation; Voice Coil Motor; PID;1 绪论1.1 课题意义随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展。

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，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、分析文中针对隔离对象进行了混合隔振系统算法的研究，提出一套音圈电机应用到隔振系统振动主动控制的方案，采用了先进的机电一体化PID控制算法，并利用Matlab软件进行了仿真分析仿真结果表明，相对于被动隔振系统，加入主动控制的混合振动隔离系统的隔振性能得到了极大的提高1.2 国内外的研究情况近年来，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；在柔性机器人中，为使末端执行器快速，精确定位，还可以用音圈电机有效地抑制振动。

目前国内外对音圈电机控制的研究主要针对直线音圈电机的位置控制天津大学的赵兴玉、张胜泉等在对音圈电机驱动XY平台的控制中，分别设计了由内环电流控制器、外环位置控制器、前置滤波器、前馈控制器、重复控制器和扰动观测器组成的控制器，使平台的具有良好的动态特性；美国的Alex Babinski[12]和Tsu-Chin Tsao[13]在对音圈电机的伺服控制中引入了加速度环，由此构成的位置反馈环和加速度前馈控制器，使得系统相比无加速度前馈的系统，性能提高了5倍；中国台湾的T.S.Liu和W.K.Chang[12]把基于强化学习的模糊控制器引入到对VCM的控制中，改善了VCM的跟踪性能；新加坡国立大学的程国扬和清华大学金文光在VCM驱动硬盘磁头快速精确定位伺服控制系统的设计中，采用一种复合非线性反馈控制技术，提高控制系统的瞬态性能，并通过设计一个降阶观测器对伺服系统中的未知扰动进行估计及补偿，清除扰动可能带来的稳态跟踪误差；K. S. Ananthanarayanan[13]在考虑音圈电机电感的条件下提出了一种包括三阶多项式和时间优化控制的算法，性能曲线表明，设计者可以选择合适的系统惯量，使系统达到理想的响应时间；美国的Matthew Loh和Yih-Choung Yu[12]针对音圈电机在倒电容模拟循环系统中的应用，设计了非线性模型的控制器，并对其进行了模拟仿真。

东方所是国内第一家从事振动和噪声技术研究的高新技术研究所，是面向全国的第一家振动和噪声技术研究所其相关研究成果如图1.1，该教学实验台包括弹性体系统，激振系统，隔振系统，动力减振器，质量快，阻尼器等，减震性能在最大载重时仅达到19.22Hz，但具有可做共振，隔振，减震，自由振动，强迫振动等多种振动实验图1.1 ZJY-601T型振动与控制教学实验室日本明立精仪的隔振产品以其独创的技术开发研制出可以使精密仪器及环境免受有害振动影响的隔振装置如图1.2，1.3，对于被动隔振不能有效隔离的2Hz附近低频振动，主动隔振可以使振动减小到被动隔振的1／30-1／100主要性能优点：小型却可以除去全自由度方向的振动和被动隔振所无法除去的频带域上的振动，标准MAPS可以为10吨以上的承载装置隔振、承载运转载物台也不会有振动、在定位精度及保持水平精度方面也很优越[12]图1.2空气式控制式主动隔振系统MAPS系列图1.3台上型/台桌型主动隔振系统1.3 主要任务本设计的主要任务就是减小或者消除振动对隔振平台的影响，此次设计是混合隔振系统，即分为被动隔振和主动隔振，空气弹簧减小或者消除高频振动的影响，当低频微振动对平台有影响时，使用主动隔振系统，即利用音圈电机减小和消除低频振动。

先分析空气弹簧隔振的作用，用Matlab进行仿真；当低频振动输入时，假设激励为正弦输入，进行系统分析，并用Matlab软件中的Simulink进行仿真；整个系统电路的设计，传感器的选择电容式加速度传感器，放大电路，滤波电路；分析音圈电机的原理和电容式传感器的原理2 系统组成2.1 直线音圈电机原理2.1.1 直线音圈电机直线音圈电机(以下简称音圈电机)是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机它基于安培力原理，即通电线圈放在磁场中产生力，力的大小与施加圈上的电流成正比音圈电机在理论上有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小且力特性好、控制方便等一系列优点，使它更适用于要求高加速度、高频激励、快速和高精度定位的控制系统中现代磁盘驱动器、光盘驱动器以及一些高精度的定位系统执行机构都采用音圈电机来驱动因此，对这类电机如何进行驱动，满足要求的精度和频响、特定的工作环境，是目前探索的热点课题2.1.2 一维系统驱动原理图系统采用音圈电机直接驱动，采用独特的联轴系统刚性连接音圈电机内自带光栅尺和PID编码器驱动原理图如图2.1所示[8]图2.1驱动原理图2.1.3 音圈电机数学模型音圈电机的结构如图2.2所示[8][10]图2.2音圈电机结构它由簧片、骨架、线圈和磁钢组成。

其中的簧片有支撑和导向的作用由结构可得到电机的两个重要方程；电压平衡方程 （1）动力平衡方程 （2）式中，为音圈电机的力常数，为运动部分质量，和为音圈电机线圈的电阻和电感，为支撑导向弹簧刚度，为驱动电压，为电机运动速度，为运动位移对于(2)式，在时域有 （3）由电压平衡方程得 （4）由于电感比较小，可忽略不计故上式简化成 （5）联立式(3)、(5)得 （6）经拉氏变换后 。