Bevægelseskontrol: Lineære bevægelsesanordninger: Hvad er en voice-coil aktuator?

JAMES MITCHELL

En voice-coil aktuator, også kendt som en ikke-kommuteret DC-lineær aktuator, er en type lineær motor med direkte drev. Udtrykket “voice coil” kommer fra en af dens historisk set første anvendelser: at få papirkonen i en højttaler til at vibrere. Disse anordninger anvendes i dag til en lang række anvendelsesformål, herunder til at flytte meget større masser. Inden for optik anvendes voice-coil-aktuatorer f.eks. typisk til fokusering, oscillerende systemer, spejlvipning og miniaturepositionskontrol af op til tre akser.

Denne type aktuator består af en permanent-magnetisk felt-enhed (en kombination af permanente magneter og jernholdigt stål) og en spole-enhed. Den strøm, der løber gennem spoleenheden, interagerer med det permanente magnetfelt og genererer en kraftvektor vinkelret på strømretningen. Kraftvektoren kan vendes ved at ændre polariteten af den strøm, der løber gennem spolen.

Ukommuterede lineære jævnstrømsaktuatorer er i stand til en forskydning på op til 5 tommer og fås i forskellige størrelser, fra enheder, der genererer en kraft på få ounce, til andre, der genererer flere hundrede pund kraft (se tabel 1). Desuden kan stemmespoleaktuatorer bevæge sig i to retninger, har en relativt konstant kraft over hele slaglængden og kan anvendes til enten åbne eller lukkede positions- eller kraftanvendelser.

En stemmespoleaktuator genererer en kraft baseret på en vekselvirkning af strømførende ledere i et permanent magnetfelt. Den kraft, der genereres af stemmespolen, er proportional med krydsproduktet af den strøm, der løber gennem spolen, og den magnetiske flux i det permanente magnetfelt, som dikteret af Lorentz’ kraftligning. I et simpelt illustrativt eksempel er den kraft F, der frembringes på en lige ledning af længde L, som transporterer en strøm I og er orienteret vinkelret på et magnetfelt B (F, I og B er vektorer):

F = IL × B

(Beregningen er mere kompliceret for virkelige apparater på grund af deres ikke lige ledningsgeometri og varierende orientering af svingspolens ledninger i forhold til magnetfeltet.)

Den genererede kraft er relativt konstant i hele aktuatorens slaglængde med mindre kraftfald i begyndelsen og slutningen af slaglængden. Enten spoleenheden eller enheden med permanentmagnetisk felt kan anvendes som det bevægelige element i en stemmespoleaktuator.

Bevægelsesspole

Stemmespoleaktuatorer findes i en række forskellige pakker – den type, som de fleste kender, er stemmespoleaktuatoren med bevægelig spole. Disse består typisk af en spole, der er viklet om en spole, som kan være fremstillet af og af mange ikke-magnetiske materialer, og som bevæger sig ind og ud af en permanent-magnetisk feltsamling bestående af et stålhus med en koncentrisk permanent-magnetsamling i midten (se fig. 1).

Bevægelig magnet

En anden almindelig type aktuator er den bevægelige magnetkonstruktion, hvor spolen er fastmonteret, og magnetsamlingen bevæger sig. Denne konstruktionsændring forhindrer spolekabler, der kræver bevægelse under drift. Pakken fungerer på samme måde som konstruktionen med bevægelig spole, bortset fra, at i stedet for en fritliggende spole, der bevæger sig ind og ud af magnetsamlingen, har enheden med bevægelig magnet et stempel med permanentmagnetisk felt, der bevæger sig inde i et cylindrisk spolerør (se fig. 2). Denne type leveres ofte med en permanentfelt-enhed fastgjort til en aksel og endekapper, der indeholder lejer, således at denne type oftest leveres med et integreret lejesystem.FIGUR 2. Stemmespoleaktuatorer med bevægende magnet leveres oftest med et integreret lejesystem.

Der findes variationer af disse aktuatorkonstruktioner, som giver mulighed for unik geometri og integration af stemmespoleaktuatorer i mange forskellige typer applikationer. Et par eksempler på tilgængelige tilpasninger er:

• Store radiale mellemrum, så svingspolen kan anvendes i applikationer med begrænset rotation
• Designs, hvor svingspolemotoren bevidst betjenes i en bue (dette kaldes almindeligvis en roterende svingspole-spoleaktuator)
• Anvendelse af materialer med lav udgasning for at muliggøre brug i vakuummiljøer
• Integration af feedback-enheder til styring med lukket kredsløb

Fordelene ved stemmespoleaktuatorer omfatter:

• En enkel konstruktion
• Meget lav hysterese
• Lille størrelse
• Høje accelerationer
• Ingen cogging (ingen “foretrukne” positioner) eller kommutation

Valg af forstærker

Der kræves en forstærker, der er i stand til at levere den nødvendige strøm og spænding til at foretage den ønskede bevægelse. For at dimensionere forstærkeren til stemmespoleaktuatoren skal den kontinuerlige og maksimale strøm, back emf (for at bestemme den nødvendige DC-busspænding) samt aktuatorens modstand og induktans være kendt.

Brushed-type forstærkere anvendes til at drive enfasede (to-ledede) aktuatorer. Disse forstærkere kan have en vis indbygget intelligens og kan kræve yderligere software. En lineær forstærker er ideel til drift af aktuatorer med lav induktans.

Voice-coil aktuatorer vs. solenoider

En anden type bevægelsesenhed, solenoiden, forveksles undertiden med voice-coil aktuatorer. Mens en stemmespole imidlertid genererer en kraft baseret på et samspil mellem en strømførende leder og et permanent magnetfelt, genererer en solenoide en kraft baseret på et elektromagnetisk felt, der skabes af en strømførende leder.

En solenoide består af en spole, der er indeholdt i et jernholdigt stålhus og en bevægelig stålsnegl eller skive. Der dannes et elektromagnetisk felt, når der tilføres strøm til spolen. Magnetfeltets intensitet bestemmer den kraft, der kan frembringes af solenoiden. Når strømmen slukkes, falder kraften til nul, og fjederen bringer den tilbage til sin udstrakte position.

Kræfterne er i begyndelsen store – men efterhånden som slaglængden øges, falder kraften. Solenoider anvendes typisk til at åbne låse eller åbne eller lukke ventiler og anvendes enten til at påføre en holde- eller låsekraft.

Spørgsmålet om, hvorvidt der skal anvendes stemmespolaktuatorer eller solenoider til bevægelsesstyringsapplikationer med lille forskydning, dukker ofte op. Hvis din applikation blot kræver, at du skal åbne eller lukke en ventil, kan en magnetventil være en mulighed. Solenoider har dog begrænsninger, når det gælder kraftlinearitet og slaglængde.

Da voice-coil aktuatorer typisk koster mere end en standard-solenoid, forsøger mange kunder at bruge en solenoid, når en voice-coil aktuator er den mere hensigtsmæssige løsning. Nogle applikationer kræver en konstant kraft i hele vandringslængden, og i disse situationer er en solenoid utilstrækkelig på grund af den aftagende kraft gennem vandringslængden, hvorimod en voice-coil aktuator giver en konstant kraft (se tabel 2). Dette er især vigtigt i oscillerende systemer. En anden fordel, som svingspolen giver, er kraftstyring uden en tilbagekoblingsanordning, fordi kraftudgangen (ved enhver position i slaglængden) er direkte proportional med den indgående strøm.

Samtaler-spoleaktuatorer egner sig generelt til en højere krafttæthed, og opnår således større slaglængder og kræfter i en mindre pakke end deres solenoid-modstykker.

James Mitchell er senioringeniør hos H2W Technologies, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.