音圈电机驱动的双层主动隔振系统设计与仿真

    随着航天技术的发展，精密仪器广泛应用，机电耦合系统振动对航天器造成的负面影响日益明显。设备和仪器的精确性对动力学环境提出了更高的要求。为了满足航天器上精密仪器对力学环境的要求，尤其是低频和超低频的微振动，传统的被动隔振系统已经不能满足要求，因此主动隔振系统就应运而生。相比于被动隔振系统，主动隔振系统需要利用外界能源来产生控制作用力。此外，在低频段主动隔振是很合适的选择[1]。

    主动隔振系统中，作动器的选择和控制器的设计是解决主动隔振问题的关键所在。在众多的作动器中，音圈电机(VCM)由于具有体积小、重量轻、高加速度、高速度、快速响应、推力均匀等优良性能，同时将电能转化成直线或者旋转运动而不需要中间转换机构，在振动主动控制系统中得到广泛的应用。本文拟采用音圈电机作为作动器，设计一种理论上位移传递率可以近似为零的主动隔振系统[2]。

    1 音圈电机工作原理

    参考文献[3]比较详细的介绍了音圈电机的工作原理。音圈电机是位于径向磁场中的一个管状线这样的布置可以产生径向均匀的磁场（类似于传统电机的磁场分布），铁磁圆筒的内芯处在线圈轴向的中心线上，并且与永磁体的一端相连，这样就可以构成闭合的磁回路。当给线圈通电时，根据安培力原理，就会在线圈和磁体间产生力F（沿轴线方向）。磁场方向和电流方向共同决定力F的方向（左手定则）。

    如果将直线音圈电机展开，就形成了旋转音圈电机，具体结构形式如图2所示[3]。

    音圈电机的工作原理是基于安培力的产生原理[4]，即将通电导体置于磁场中，会产生力F，其中F的大小和方向取决于磁场强度B，电流I，处于磁场中线圈圈数n和长度L，如图3，即

    其中 KF= nBL ，是音圈电机的力常数。

    假设在此负载阻力为 FL，音圈电机动子运动的摩擦阻力为 FC，电机动子的质量为m，位移为y，则

F-FL-FC=my? (2)

    由于音圈电机可动部分是用高精度的滚动导轨进行导向，制作比较精密，FC很小，可以忽略，并且在此只考虑音圈电机的数学模型，没有负载，FL=0，则

F=my? (3)

    音圈电机的电路分析。音圈电机的工作电路如图4所示

    根据基尔霍夫电压定律可以得

    其中 (Bl) v 是反电势，v 是线圈的速度，v=y? ，且(Bl) v = KV•v，KV反电动势常数，在数值上等于音圈电机的力常数 KF，对式（1），（2），（3）、（4）进行拉氏变换，并且消去中间变量I可以得到音圈电机的传递函数