Motion Control: Lineaire bewegingsapparaten: Wat is een voice-coil actuator?

JAMES MITCHELL

Een voice-coil actuator, ook bekend als een niet-gecommuteerde DC lineaire actuator, is een type direct-aangedreven lineaire motor. De term “spreekspoel” komt van een van zijn historisch eerste toepassingen: het in trilling brengen van de papieren conus van een luidspreker. Tegenwoordig worden deze toestellen gebruikt voor een breed scala van toepassingen, waaronder het in beweging brengen van veel grotere massa’s. In de optica worden voice-coil actuatoren bijvoorbeeld gebruikt in focusseringstoepassingen, oscillatiesystemen, spiegelkanteling en miniatuurpositiecontrole van maximaal drie assen.

Dit type actuator bestaat uit een permanent-magneetveldassemblage (een combinatie van permanente magneten en ijzerhoudend staal) en een spoelassemblage. De stroom die door de spoelassemblage loopt, werkt in op het permanente magnetische veld en genereert een krachtvector loodrecht op de richting van de stroom. De krachtvector kan worden omgekeerd door het veranderen van de polariteit van de stroom die door de coil.

Noncommutated DC lineaire actuators zijn geschikt voor een verplaatsing tot 5 in. en komen in een bereik van maten, van apparaten die een paar ons van kracht om anderen die enkele honderden ponden van kracht (zie tabel 1) genereren genereren. Bovendien kunnen voice-coil actuators in twee richtingen bewegen, hebben een relatief constante kracht over de gehele slag, en kunnen worden gebruikt voor zowel open- of gesloten-lus positie of kracht toepassingen.

Een spreekspoelactuator wekt een kracht op die is gebaseerd op een wisselwerking van stroomvoerende geleiders in een permanent magnetisch veld. De kracht die door de spreekspoel wordt opgewekt is evenredig met het kruisproduct van de stroom die door de spoel loopt en de magnetische flux in het permanente magnetische veld, zoals gedicteerd door de krachtvergelijking van Lorentz. In een eenvoudig voorbeeld ter illustratie is de kracht F op een rechte draad met lengte L die een stroom I draagt en loodrecht op een magnetisch veld B staat (F, I en B zijn vectoren):

F = IL × B

(De berekening is ingewikkelder voor echte toestellen vanwege hun niet-rechte draadgeometrie en de variërende oriëntatie van spreekspoeldraden ten opzichte van het magnetisch veld.)

De opgewekte kracht is relatief constant gedurende de slag van de actuator, met kleine krachtverminderingen aan het begin en einde van de slag. Zowel de spoelassemblage als de permanent-magneetveldassemblage kan worden gebruikt als het bewegende lid in een voice-coil actuator.

Moving coil

Voice-coil actuators zijn er in verschillende uitvoeringen – het type waarmee de meeste mensen bekend zijn is de moving-coil actuator. Deze bestaan meestal uit een spoel gewikkeld rond een spoel, die kan worden gemaakt van en van tal van niet-magnetische materialen, en die beweegt in en uit een permanent-magnetisch-veld assemblage bestaande uit een stalen behuizing met een concentrische permanente-magneet in het midden (zie Fig. 1).

Bewegende magneet

Een ander veel voorkomend type actuator is het bewegende-magneet ontwerp, waarbij de spoel vast is en de magneet assemblage beweegt. Deze bouwwijziging verhindert spoellijnen die beweging tijdens verrichting vereisen. Het pakket werkt gelijkaardig aan het bewegende-spoelontwerp, behalve dat in plaats van een blootgestelde rol die zich in en uit de magneetassemblage beweegt, het bewegende-magneetapparaat een permanent-magneet-veldassemblagezuiger heeft die zich binnen een cilindrische spoelbuis beweegt (zie Fig. 2). Deze stijl wordt vaak geleverd met de permanent-veld assemblage bevestigd aan een as en eindkappen die lagers bevatten, zodat deze stijl het vaakst wordt geleverd met een geïntegreerd lagersysteem.FIGUUR 2. Het type voice-coil actuator met bewegende magneet wordt meestal geleverd met een geïntegreerd lagersysteem.

Variaties op deze actuatorontwerpen bestaan die een unieke geometrie en de integratie van voice coil actuators in talrijke soorten toepassingen mogelijk maken. Enkele voorbeelden van beschikbare aanpassingen zijn:

• Grote radiale speling zodat de spreekspoel kan worden gebruikt in toepassingen met beperkte rotatie
• Ontwerpen waarbij de spreekspoelmotor opzettelijk in een boog wordt bediend (dit wordt gewoonlijk een roterende voice-spoelactuator)
• Het gebruik van materialen met een lage uitgassing om gebruik in vacuümomgevingen mogelijk te maken
• Integratie van terugkoppelingsinrichtingen voor gesloten-lusregeling

Voordelen van voice-coil actuators zijn onder meer:

• Eenvoudige constructie
• Zeer lage hysterese
• Kleine afmetingen
• Hoge versnellingen
• Geen cogging (geen “voorkeur” posities) of commutatie

Versterker selectie

Een versterker die in staat is om de benodigde stroom en spanning te leveren om de gewenste beweging te maken is vereist. Om de versterker aan de spreekspoelactuator aan te passen, moeten de continue en piekstroom, de back emf (om de vereiste DC busspanning te bepalen), en de actuatorweerstand en -inductantie bekend zijn.

Brushed-type versterkers worden gebruikt om eenfasige (tweeledige) actuatoren te laten werken. Deze versterkers kunnen enige ingebouwde intelligentie hebben en kunnen extra software vereisen. Een lineaire versterker is ideaal voor het aansturen van low-inductance actuators.

Voice-coil actuators vs. solenoids

Een ander type bewegingsapparaat, de solenoid, wordt soms verward met de voice-coil actuator. Maar terwijl een spreekspoel een kracht opwekt op basis van een wisselwerking van een stroomvoerende geleider in een permanent magnetisch veld, wekt een solenoïde kracht op op basis van een elektromagnetisch veld dat wordt opgewekt door een stroomvoerende geleider.

Een solenoïde bestaat uit een spoel die is gevat in een ferro stalen behuizing en een beweegbare stalen slak of sluitring. Een elektromagnetisch veld wordt opgewekt door stroom die op de spoel wordt gezet. De intensiteit van het magnetisch veld bepaalt de hoeveelheid kracht die door de solenoïde kan worden opgewekt. Wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, daalt de kracht tot nul en brengt de veer hem terug in zijn uitgeschoven positie.

De krachten zijn aanvankelijk groot-maar naarmate de slag toeneemt, neemt de kracht af. Solenoïden worden meestal gebruikt om grendels te openen of kleppen te openen of te sluiten, en worden gebruikt om een houd- of vergrendelingskracht uit te oefenen.

De vraag of voice-coil actuators of solenoïden moeten worden gebruikt voor bewegingsbesturingstoepassingen met kleine verplaatsingen komt vaak naar voren. Als uw toepassing eenvoudig het openen of het sluiten van een klep vereist, zou een solenoïde een optie kunnen zijn. Echter, solenoïden hebben beperkingen als het gaat om kracht lineariteit en slaglengte.

Omdat voice-coil actuators meestal meer kosten dan een kant-en-klare solenoid, proberen veel klanten een solenoid te gebruiken wanneer een voice-coil actuator de meer geschikte oplossing is. Sommige toepassingen vereisen een constante kracht over de gehele slaglengte, en in deze situaties is een solenoïde onvoldoende vanwege de verminderde kracht tijdens de slag, terwijl een voice-coil actuator een constante kracht levert (zie tabel 2). Dit is vooral belangrijk in oscillerende systemen. Een ander voordeel van de spreekspoel is de krachtregeling zonder terugkoppeling, omdat de geleverde kracht (op elke positie in de slag) recht evenredig is met de ingangsstroom.

Voice-Spoel actuators lenen zich over het algemeen voor een hogere krachtdichtheid, dus het bereiken van hogere slagen en krachten in een kleinere verpakking dan hun solenoïde tegenhangers.

James Mitchell is een senior ingenieur bij H2W Technologies, Santa Clarita, CA; e-mail: [email protected]; www.h2wtech.com.