音圈电机改装笔者在淘宝十多块买了一个硬盘音圈电机

教育网编2023-10-22 13:502050

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一、音圈电机是什么

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。其工作原理是，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.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧（摘自百度百科）

音圈电机最常见的应用应该就是喇叭了，如下图所示，线圈可以在磁场中跟随电流变化而变化

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二、硬盘音圈电机

在硬盘上，音圈电机根据磁道信息来判断磁头所处的位置，可在极短的时间内精确地定位在由计算机指令指定的磁道上。具体他使用的什么定位算法，笔者也不清楚，但是有一点可以确定的是要定位就需要位置反馈。

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三、音圈电机改装

笔者在淘宝十多块买了一个硬盘，音圈电机拆解下来如下图所示。位置反馈使用的是2000线光编码器，使用电位器作为位置反馈也可以，就是效果较差，电位器容易受环境噪音干扰。3D打印了电机与编码器的连接部分。

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组装在一起后如下图所示

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四、控制与代码设计

接下来进入控制设计部分，先简单介绍伺服闭环控制，伺服系统有电流环、速度环、位置环，三个环串联形成串级PID控制系统，最内环为电流环，最外环为位置环，且外环输出作为内环设定值。不管定位还是控制速度，最终控制的都是电流，所以期望电流能自由控制，在伺服系统中需要将三相的电流按照相差120°来产生旋转磁场，可以使用foc方式实现电流模式，也就是力矩模式，那么在音圈电机中情况就简单多了，不需要什么复杂的foc和旋转磁场，直接给电机供直流电就是电流模式，大小和方向可以自由切换，此项目笔者使用芯片驱动电机，此芯片可根据输入的电压控制信号来控制电机的电流，内部有比较器，可保证电压与电流的对应关系，即使电机阻抗发生变化，内部比较器会增加电压来实现电流恒定，大概是这么个原理，而直接pwm控制就没有这个效果。可以认为芯片做了电流环的控制，程序只需实现速度环和位置环即可

4.1 pid控制对象实现

将pid控制器抽象为类，结构体里面的数据是被操作成员变量，外面的接口函数是对变量操作的方法，使用c模仿c++面向对象的思想的简单实现，这样可以方便创建多个pid控制对象，实现速度环、位置环，甚至多个伺服电机

typedef struct
{
    float goal_val;
    float input_val;
    float out_val;
    float last_out_val;
    float integral_i;
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
    /* interface */
	float (*getFeedbackVal)();
    
}TargetPID;
float PID_Control(TargetPID *target);
void PID_SetGoalVal(TargetPID *target, float goal_val);
void PID_SetPidPara(TargetPID *target, float kp, float ki, float kd);

pid控制器算法，使用绝对式pid算法，输入为被控制的对象

/**
  * @brief  pid控制核心函数
  * @param  target 控制对象
  * @return pid控制输出量 
  */
float PID_Control(TargetPID *target)
{
	float bias = 0;
	target->input_val = target->getFeedbackVal(); //采集输入
	bias = target->goal_val - target->input_val;
	target->integral_i += bias;
	target->out_val = target->Kp * bias + target->Ki * target->integral_i + target->Kd * (bias - target->last_out_val);
	target->last_out_val = bias;
	if (target->integral_i > MAX_INTEGRAL_VAL)  //积分限幅
	{
		target->integral_i = MAX_INTEGRAL_VAL;
	}
	if (target->integral_i < -MAX_INTEGRAL_VAL)
	{
		target->integral_i = -MAX_INTEGRAL_VAL;
	}	
	if (target->out_val > MAX_OUT_VAL)    //输出限幅
	{
		target->out_val = MAX_OUT_VAL;
	}
	if (target->out_val < -MAX_OUT_VAL)
	{
		target->out_val = -MAX_OUT_VAL;
	}		
	return target->out_val;
}

4.2 参数调整

创建速度环和位置环对象后，在主函数循环执行pid控制函数就可以实现位置闭环，麻烦的是参数调整，先给一个居中的位置值作为位置环目标值，先从速度环开始，从很小的数开始慢慢往上加，位置环也是如此，用手触碰电机，其鲁棒性较好即可，实际调整发现参数范围很广都可以稳定运行，根据需要调整位置环比例可得到不同位置环刚度。

4.3 其他应用

为了实现一些比较好玩的功能，在此系统中，我使用的都是纯比例控制。

1、实现阻尼效果：

将位置环比例、积分、微分都设为0，调整速度环比例，慢慢加大阻尼效果增强，因为位置环比例为0时，相当于位置环没有工作，处于速度模式，且速度环的目标值为0，用手拨动电机能感受到明显阻尼，速度越大阻力越大

2、作为体感遥控器使用

使用编码器的位置输出去控制其他执行器，比如机械爪，在机械爪安装力传感器，并将夹持力反馈到音圈电机，人就能感受到机械爪夹到了物体，在工业或娱乐游戏场景可以应用

总结

最后展示下最终的控制效果，正弦位置测试

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