音圈电机及其应用

音圈电机及其应用Principalspeaker主讲:LaneChen陈镭SMAC

ChinaAreaManagerSMAC中国区经理Applicationengineer

应用工程师

VoiceCoilActuatorsandApplication

1-1、音圈电机的机械构造、工作原理

1-2、音圈电机的控制

1-3、SMAC音圈电机内部构造

1-4、SMAC的系列产品

1-5、SMAC产品的特点

1-6、SMAC产品的应用实例介绍

1-7、SMAC样品的演示

---第一部分---1-1、音圈电机的机械构造、工作原理（1）为什么叫音圈电机?音圈电机（Voice

Coil

Actuator）是一种特殊形式的直接驱动电机，能将电能直接转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。音圈电机（也可以叫移动线圈执行器）。它的基本原理和你经常看到永久磁铁在喇叭中的应用是一样的，线圈被包含在磁铁壳中，给线圈通电磁力场就产生了。磁场力的强度取决于以下几个方面的综合Fα

NIB

其中：

F是磁场力

N是线圈的匝数

(常数)

I流过线圈的电流值

B是磁通量(常数)

左手法则永磁体1-1、音圈电机的机械构造、工作原理（2）左手法则永久磁铁工作原理：在均匀气隙磁场中放入一绕线组，绕线组通电产生电磁力带动负载作直线往复运动，改变电流的强弱和极性，就可改变电磁力的大小和方向。因此音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。F=LxIxBF:磁场力

L:线的长度，与线圈的匝数有关。

I:电流强度

B:磁通量---音圈电机工作原理-----------适用于不同形状、不同应用的线圈--------适用于长方体适用于圆柱体适用于较大推力1-1、音圈电机的机械构造、工作原理（3）左手法则永久磁铁音圈电机特点：其具有高响应、高速度、高加速度、结构简单、体积小、力特性好、控制方便等优点。近年来，随着音圈电机技术的迅速发展，音圈电机被广泛用在精密定位系统和许多不同形式的高加速、高频率、快速和高精度定位运动系统中。---音圈电机的特点---适用于长方体适用于圆柱体适用于较大推力1-2、音圈电机的控制1、控制方式：电流控制。

对磁力场中的线圈做电流的大小和方向控制2、伺服控制：

从伺服端输入的控制信号(+/-10V)正比于输出电流(+/-3A)

3、控制模式：

位置控制、速度控制、力量控制(力矩)。4、滤波控制程序：

PID控制

P：比例增益值------控制响应误差。

I：积分增益值------控制误差值。

D：微分增益值------控制阻力大小及稳定度。

1-3、SMAC音圈电机内部构造(1)1）永久磁铁盒：

上下安装了永久磁铁。对不同型号的音圈电机

安装不同规格的永久磁铁。1-3、SMAC音圈电机内部构造(1)1）永久磁铁盒：

上下安装了永久磁铁。对不同型号的音圈电机

安装不同规格的永久磁铁。2）移动线圈：

线圈的匝数、铜线的直径、铜线的均匀性及铜

的品质直接影响电机的品质和力量输出。1-3、SMAC音圈电机内部构造(1)1）永久磁铁盒：

上下安装了永久磁铁。对不同型号的音圈电机

安装不同规格的永久磁铁。2）移动线圈：

线圈的匝数、铜线的直径、铜线的均匀性及铜

的品质直接影响电机的品质和力量输出。3）光栅尺：

用于位置反馈。

标准配置5μm；可以选择：1μm、0.1μm、

0.05μm、0.01μm1-3、SMAC音圈电机内部构造(1)1）永久磁铁盒：

上下安装了永久磁铁。对不同型号的音圈电机

安装不同规格的永久磁铁。2）移动线圈：

线圈的匝数、铜线的直径、铜线的均匀性及铜

的品质直接影响电机的品质和力量输出。3）光栅尺：

用于位置反馈。

标准配置5μm；可以选择：1μm、0.1μm、

0.05μm、0.01μm4）线性导轨：

根据应用，可以选择能承受侧向负载的

“宽轨”和低磨擦的导轨。1-3、SMAC音圈电机内部构造(2)1）直线运动和旋转运动是二个独立的运动，需要二轴的控制

系统控制。2）二轴可以独立运动或协调运动。3）二轴的位置反馈是闭环的。

在不同的运动模式下，可以实时监控位置。4）内置气路为取放应用设计。5）回复弹簧为垂直运动设计。

垂直工作时，为防止断电后运动轴掉落。旋转编码器旋转马达线性导轨光栅尺永久磁铁盒移动线圈内置气路口回复弹簧直线加旋转型执行器1-3、SMAC音圈电机内部构造(3)双线圈直线导轨轴端直线光栅接口1）直线运动，只需要一轴的控制统控

制。2）位置反馈是闭环的。

在不同的运动模式下，可以实时监

控位置。3）可以内置气路。

为取放应用设计。4）可以安装回复弹簧。

垂直工作时，为防止断电后运动轴掉落。

5）双线圈。

为增加推力和加速度设计。6）轴端。

轴端有外螺纹、内螺纹和无螺纹选择；

也可根据客户的需要特制。7）接口。

接口有25pin和26pin直线型执行器1-4、SMAC的系列产品（1）1.

行程

(mm)：0-150

2.总重量

(grams)：100-7400

3.移动质量(grams)：20-560

4.

最大推力

(

newtons

)：1.2-500

5.加速度(g)：4-20

6.最大速度

(m

/s)：2

7.

外挂重量

(grams)：50-1000

8.

编码器解析度：0.05-5microns

9.重复定位精度：+/-2counts机械规格(直线)1-4、SMAC的系列产品（1）1.

行程

(mm)：0-150

2.总重量

(grams)：100-7400

3.移动质量(grams)：20-560

4.

最大推力

(

newtons

)：1.2-500

5.加速度(g)：4-20

6.最大速度

(m

/s)：2

7.

外挂重量

(grams)：50-1000

8.

编码器解析度：0.05-5microns

9.重复定位精度：+/-2counts1.力矩(N-m)：0.0084-1

2.

最大转速(rpm)：75-5000

3.

旋转解析度(degree)： -0.074ºfor4864counts/rev -0.0257ºfor14000counts/rev

-0.018ºfor20000counts/rev

-0.0072ºfor50000counts/rev

4.齿数比：76:1；66:1

5.

齿隙(degree)：0机械规格(直线)机械规格(旋转)1-4、SMAC的系列产品（1）1.

行程

(mm)：0-150

2.总重量

(grams)：100-7400

3.移动质量(grams)：20-560

4.

最大推力

(

newtons

)：1.2-500

5.加速度(g)：4-30

6.最大速度

(m

/s)：2

7.

外挂重量

(grams)：50-1000

8.

编码器解析度：0.005-20microns

9.重复定位精度：+/-2counts1.力矩(N-m)：0.0084-1

2.

最大转速(rpm)：75-5000

3.

旋转解析度(degree)： -0.074ºfor4864counts/rev -0.0257ºfor14000counts/rev

-0.018ºfor20000counts/rev

-0.0072ºfor50000counts/rev

4.齿数比：76:1；66:1

5.

齿隙(degree)：0机械规格(直线)机械规格(旋转)电气规格

1.操作电压(vdc)：24Vor48V2.

最大持续电流：2.5A(直线)、

0.1A(旋转)

3.

编码器供电电压(vdc)：

5V

4.编码器输入信号：

差补式

5.

可附前后极限开关

6.旋转式编码器的运转方式

(pulse/rev)：16

7.最大负载周期的40%8.指示灯

-绿灯:电源启动正常

-红灯:系统过热1-4、SMAC的系列产品(2)电动缸执行器型号:CAL12、CAL36、CAL75行程：10、15、25、50mm分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm1-4、SMAC的系列产品(3)直线执行器型号:LAL10、LAL15、LAL20、LAL30、LAL35、LAL55、LAL95、LAL300、

LAL500行程：5、10、15、25、50、100、150mm分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm1-4、SMAC的系列产品(3)直线执行器型号:LAL10、LAL15、LAL20、LAL30、LAL35、LAL55、LAL95、LAL300、

LAL500行程：5、10、15、25、50、100、150mm分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm直线/旋转执行器型号:LAR15、LAR20、LAR31、LAR35、LAR55、LAR95、LAR300直线行程：15、17、25、27、50、100mm直线分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm旋转分辨率：4864、20000、50000

转速：75-5000rpm1-4、SMAC的系列产品(4)直线滑块执行器型号：LAS10、LAS15、LAS20、

LASW20、LAS35、LAS55、

LAS95、LAS300行程：5、10、11、15、25、50、100、150mm分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm、0.05μm1-4、SMAC的系列产品(5)夹指执行器型号:GRP17、GRP20、GRP35、GRP50行程(每轴)：

5、15mm分辨率：

标准配置1μm和5μm可选：

1μm、0.5μm、0.1μm1-4、SMAC的系列产品(6)XY平台型号:LXY10-010-7,LXY15-015-7,LXY25-025-8,LXY100-100-7行程：10、15、25、100mm分辨率：标准配置5μm可选：1μm、0.5μm、0.1μm1-4、SMAC的系列产品(7)LCA25系列直线执行器尺寸:

25mmx55mmx70mm型号:

LCA25-010-5LCA25-010-7行程：

10mm最大推力：

8N@24VDC,12N@48VDC最大加速度：

30G移动质量：

0.04Kg总重量：

0.27Kg分辨率：

标准配置20μm可选：

5μm,1μm,0.5μm,0.05μm2010年新产品LCA=LowCostActuator新产品产品编号系统23

1-5、SMAC产品的特点（1）SMAC的音圈电机具有一般音圈电机的高响应、高速度、高加速度、结构简单、体积小、力特性好、控制方便等特点以外，根据SMAC产品的实际应用，SMAC产品还具有以下几个鲜明的特点：1）“软着陆”功能：

“软着陆”是允许执行器的轴以很低的可编程的力量接触工作件表面，这项应用对高精度

和高价值器件操作特别有用。目前主要应用于半导体行业。

在速度模式下以受控制的低力量接近操作面，同时位置误差被持续地监控，一旦接触到

被操作面位置误差增大到预先编程的值时，执行轴就会保持在操作面那个位置。2）力量控制功能：

在同一位置上，电机可以输出不同的力量；在任何位置上，电机可以输出恒定的力量。

目前主要应用于检测和测量行业，例如：汽车零部件的100%检测、按键的检测等。3）高重复定位功能：

SMAC音圈电机具有高重复定位功能。重复定位精度可达到±10纳米(nanometer)。

目前主要应用于医学研究和生物分析等行业。1-5、SMAC产品的特点（2）

★“软着陆”功能也是寻找物件表面的功能。“软着陆”功能在速度模式下以受控制的低力量接近操作面，同时位置误差被持续地监控，一旦接触到被操作面位置误差增大到预先设置的值时，执行轴就会保持在操作面那个位置。

1-5、SMAC产品的特点（3）力量控制功能1）位置模式、速度模式、力量模式可以任意切换。2）根据实际应用，音圈电机可以输出不同的力量，并且可以持续。3）标准产品的力量分辨率可以控制在克（0.01N）。1-5、SMAC产品的特点（4）高重复定位功能采用5纳米分辨率，重复定位精度可达到±10纳米(nanometer)。

目前主要应用于医学研究和生物分析等行业。1-6、SMAC产品的应用实例介绍（1）应用于芯片的封装、智能卡(IC芯片安装)、量测和零件分类处理、微小及易碎的物件组装。（电机具有内置气路，工作环境要求净化）

1-6、SMAC产品的应用实例介绍(2)触摸屏检测1）电机接触触摸屏表面时，采用“软这陆”功能。2）克服触摸屏不平整的缺陷，电机以恒定的力量输出

（Z轴）。3）XY轴运行可以模拟字体的书写、划线等。4）可以做到100%的在线检测。

1-6、SMAC产品的应用实例介绍(3)开关测试：阀门、传感器、继电器、电脑键盘、ATM键盘、弹簧、门插销测试，玻璃切割，等等……

1-6、SMAC产品的应用实例介绍(4)SMAC的优势：能检测滞后现象和开关的微动、精准的模拟人的“手感”运动、力和位置测量的结合、高速寿命测试。8小时1,000,000循环、

QA检测报告功能、确保100%检测。1-6、SMAC产品的应用实例介绍（5）汽车螺纹检测已被证实能检测：1）螺纹的过大或过小2）螺纹的数量3）乱牙4）螺纹的深度5）没有螺纹或螺纹混乱6）垂直间隙测定1-6、SMAC产品的应用实例介绍（6）缸径测量和凹槽检测：1）燃料喷射器 2）燃料喷射器内部零件安装检测3）XYZ-迷你CMM4）内外缸径检测5）高度检测6）厚度检测7）多点检测8）安全气袋部件检测1-6、SMAC产品的应用实例介绍(7)按键检测1、应用于手机按键手感测试及品检。2、应用于汽车的音箱面板按键和自动窗的开关的测试。3、应用于弹簧片的测试。4、可以做到在线100%的检测。341-6、SMAC产品的应用实例介绍(8)玻璃划线、玻璃切割1、可对玻璃划线、玻璃切割。2、可以控制划线的深度。3、由于划线和切割有测向力，

执行器必须安装鼻型轴套。4、应用显示屏的划线和玻璃

激光切割。351-6、SMAC产品的应用实例介绍(9)孔位检测1）可应用于不同形状

的零部件检测。2）可应用于不同材料

的零部件检测（金

属的和非金属的）。3）应用于手机外壳、

手提电脑外壳的

100在线检测。4）重复定位精度可达

到±2计数。1-6、SMAC产品的应用实例介绍(10)ActuatorLCA25-010-54MControllerLAC-1Encoder20umStroke0.1mmSpeed***69HZ***应用于超声波焊接、金丝球焊接等1、SMAC执行器可以作高频往复运动。2、重复定位精度高，严格控制位置过冲，可控制在±2counts。3、下表是用LCA25-010-54M执行器做的一个测试。1-6、SMAC产品的应用实例介绍(11)人机介面——触摸屏的制作加工（触摸屏为普通玻璃）三维涂胶——BOSS喇叭的涂胶（三维运行速度均匀、涂胶量能严格控制）1-6、SMAC产品的应用实例介绍(12)使用SMAC执行器可当作螺丝起子:1、一般地用来扩大组装硬碟。2、常见的尺寸为M2以及M3。3、同时具有检测功能。1-7、SMAC样品的演示1）LAR31-027-55CVS样机2）CAL35-015-51F样机3）CAL12-010-51F样机4）LCA25-010-54M样机2-1.PID值的设置。2-2.PID值对运动曲线的影响。2-3.常用指令介绍。2-4.数据采集及其测试报告。2-5.样机演示(原点定义法）2-6.样机演示(交货检验法）2-7.问与答。---第二部分---1.SG:

ProportionalGain比例增益值是控制响应误差，即过

射或低射，此值高会造成不稳定。

SI：

IntegralGain积分增益值是控制误差值，使其稳定，

也就是说消除误差值，即微调。

SD：

DerivativeGain微分增益值是控制阻力大小及稳定

度，即收敛值。

2.初始值设定：

SG：20,SI：2,SD：2002-1、PID值的设置(1)3.怎样调整：

A）增加SG值，每次增加5-10，此时位置误差会减少，若发

生震动，则停止增加SG，改调SD值。

B）逐渐增加SD值，每次增加50-100，直到运动趋于稳定，

没有震动。

C）反复检查与目标位置的误差来决定调整SG或SD的值。如

果过射，表明SG值太高，则增加SD值或减少SG值；如

果低射，表明SG值太低，增加SG值或减少SD值。

D）如果误差值没有改进，可改调SI值。增加SI值，可改善

误差值，直到+/-2个位置记数范围。

如果以上步骤对误差值还没有效果，则

可调整FR及RI值。

2-1、PID值的设置(2)2-1、PID值的设置(3)4.PID值的参考：2-2、PID值对运动曲线的影响(1)举例(请观察对比)：

执行器：CAL35-015-51M

控制器：LAC-1

电缆：CAH-LOD-01

SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV5000000,SA10000SG10,SI120,SD1000,IL8000,SV5000000,SA10000>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP9>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP92-2、PID值对运动曲线的影响(2)举例(请观察对比)：

执行器：CAL35-015-51M

控制器：LAC-1

电缆：CAH-LOD-01

SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV5000000,SA10000SG80,SI120,SD1000,IL8000,SV5000000,SA10000>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP9>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP92-2、PID值对运动曲线的影响(3)举例(请观察对比)：

执行器：CAL35-015-51M

控制器：LAC-1

电缆：CAH-LOD-01SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV5000000,SA10000SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV100000000,SA50000>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP9>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP92-2、PID值对运动曲线的影响(4)举例(请观察对比)：

执行器：CAL35-015-51M

控制器：LAC-1

电缆：CAH-LOD-01

SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV100000000,SA50000SG40,SI120,SD2000,IL10000,SV100000000,SA50000>MA10000,GO,WS200,GH,WS200,RP9>MA10000,GO,WP10000,GH,WP0,RP9---速度、负载的改变，必须改变相应的PID值---2-2、PID值对运动曲线的影响(5)

A）指令分类

参数指令、报告指令、运动指令、暂存器指令、程序判

别指令、教导式位置记忆指令、巨集指令、串联通讯及杂

项指令、输出/输入控制指令等。

B）常用参数指令

PID值（PIDvalues）:

SGn:

比例增益值（ProportionalGain）

SDn:

微分增益值（DerivativeGain）

SIn:

积分增益值（IntegralGain）

SVn:

最大速度值（Max.Velocity）

SAn:

最大加速度值（Max.Acceleration）

ILn:

积分极限值（IntegrationLimit）

*SI

及IL

值须设为非零值

2-3、常用指令介绍（1）C）常用报告指令

aTKn:

报告系数常数

如果

n=0,

则报告a轴的参数值。

如果

n=1,

则报告a轴的参数设置。

TMn:

报告程序集

-2<=n<=255

TM-2:

显示所有附有“MD”

及各号码的程序。

TM-1:显示所有附有各号码的程序。

如果

n为其他值，则显示任一第

n号的程序。

TP：报告实际位置值。

TQ：报告扭力值

TRn：报告第

n号暂存器的值。0<=n<=5112-3、常用指令介绍（2）D）常用运动指令

PM:

位置模式。

VM:

速度模式。

QM:

力矩(力量)模式。

-32767<=SQ<=32767

MA:

移动绝对位置。

MR:

移动相对位置。

GO:

启动。

GH:

归零。

DH:

定义归零点。

DIn:

设定运动方向，

n=0表示正方向，n=1表示负方向

ST:

停止运动

MF:

马达关闭

MN:

马达启动

AB:

放弃运动

2-3、常用指令介绍（3）E）常用暂存器指令

AA:

加法器。

AD:

除法器。

AM:

乘法器。

AS:

减法器。

ALn:

把n值载入累积器內。

ARn:

拷贝累积器的值到第n号暂存器。

(0<=n<=511)RAn:

拷贝第n号暂存器的值到累积器內。RLn:

在RAM第n号记忆体，读取32位元的资料并拷贝到累积器内。RWn:

在RAM第n号记忆体，读取16位元的资料并拷贝到累积器内。WWn:

写入16位元的资料至RAM第n号记忆体。

2-3、常用指令介绍（4）F）常用逻辑程序指令IB:若累积器值小于

n值

IE:若累积器值等于

n值

IG:若累积器值大于

n值

IU:

若累积器值不等于

n值

DF:若第n

号线路关闭(0<=n<=7)

DN:若第n号线路打开

EP:程序结束

RP:重复

WA:

等待n毫秒后...

WS:

等待停止后...

IF:

若第n号I/O线关闭

IN:

若第n号I/O线开启

WF:

等待第n号I/O线关闭后...

WN:

等待第n号I/O线开启后...

2-3、常用指令介绍（5）G）常用巨集指令

MC:

呼叫程序

(0<=n<=255)

MD:

定义程序(0<=n<=255)

MJ:

程序跳跃

(0<=n<=255)

MS:

程序开始

(0<=n<=255)

RC:

从呼叫程序跳回

RM:

程序清除

(0<=n<=255)

TM:

显示程序集

(-2<=n<=255)H）常用巨集指令

CS:

截取储存空间。

CD:

截取资料。

DD:

显示截取资料。

MGn:显示信息(0<=n<=511)

2-3、常用指令介绍（6）2-4、数据采集及其测试报告请见程序:：>CS500手动输入MD90,SG40,SI120,SD1000,IL8000,SV1000000,SA10000,SQ25000MD91,MN,PM,GH,WS200,TP,MJ100MD100,AL5,WW422MD101,AL494,WW424MD102,AL0,WW426MD103,CD500MD104,MA10000,GO,WS100,GH,WS100,RP2:>DD500手动输入数据采集后，将数据复制到Excel表即可，请见样机演示！2-5、样机演示(原点定义法）（1）方法1）可以设任一点为原点

当执行器在任意位置时,输入

>DH

则该位置点就设为原点了。（请看演示）方法2）设光栅尺上的”INDEX”为原点例:MD200,SV50000,SA2