音圈馬達的結構與運作原理

音圈馬達最早是應用於喇叭中，喇叭能發出聲音，主要原理是當電流通過線 圈產生電磁場，磁場的方向為右手法則，能推動膈膜並以每秒 20 赫茲至 20000 赫 茲來發出各個音色。

但是自從 IBM 公司把它應用在磁碟機的讀寫臂的致動器後[26]，音圈馬達的 應用也越來越廣泛使用，像是隨身攜帶的物品中，手機的變焦鏡頭就是採用音圈 馬達所製成[5]，而音圈馬達在近幾年越來越多應用在工具機上，簡單的分析音圈 馬達應用於工具機的優點，音圈馬達與傳統的線型馬達和旋轉馬達相比，具有無 齒輪、直接傳動、高響應、高速線型運動、完全無接觸和機械摩擦，體積小，故 適合用於需要高精密且空間狹小的地方。本篇論文所採用的馬達為司麥德公司的 MGV41(AVM40-20)音圈馬達如表 2. 1所示，行程為 20mm、固定推力 12.9N/A、

音圈重量 67g、含鐵心重量 226.2g、最大推力 58.05、建議工作電壓 54.45v，與 Elmo CEL-5/60 驅動器來進行實驗，音圈馬達實體如圖 2. 1所示。

圖 2. 1 音圈馬達實體圖[27]

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表 2. 1 音圈馬達系統規格

圖 2. 2 佛萊明左手定則圖[28]

音圈馬達的運動原理相較於傳統的線型馬達簡單，可以藉由佛萊明左手定則 解釋圖 2. 2，觀察圖 2. 3 可以知道中間橙色線條為線圈，外圈藍色部分為永久磁 鐵，當線圈電流方向指向上方，而磁力線的方向指向前方，根據佛萊明左手定則 受力方向會往左邊移動，馬達運動方向就會往右邊方向移動，而當電流方向往下 則相對的運動方向往右邊移動，圖 2. 4 為音圈馬達側面剖面圖。

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) (L B i

F   (2-1)

其中F為推力大小，i為電流大小，L為位移距離，B為磁場大小。

圖 2. 3 音圈馬達動作原理圖

圖 2. 4 音圈馬達動作側面原理圖

下面會簡單的介紹音圈馬達能定位原理，本篇論文以傳統 PID 控制中的 Kp來 舉例，首先定義一個位置 Position A 為追隨目標，圖 2. 5 虛線為音圈馬達的起始 位置，圖 2. 6 x 軸為時間 y 軸為目前位置 Position A 為想追隨的目標，因為目標相 對於起始位置的右邊，所以控制器會下達往右方推力的電流命令給驅動器。圖 2.

7 與圖 2. 8 由於追隨目標的力太大導致位置超過 Position A，此時控制器會下達反 向往左 方推 力的電 流命令 給驅 動器 。 反覆上 述的 步驟直 到音圈 馬達 定位 置 Position A，波形圖如圖 2. 9 與圖 2. 10 所示，只有使用 PID 控制器的 Kp控制的效 果非常差。定位控制器為本篇論文主要的主旨，本篇論文會提出有別於傳統控制 的新的控制方法，以改善現有音圈馬達定位器不足的地方。

負載

永久磁鐵 線圈

動子 磁通路徑 氣隙

移動距離

受力方向

滑軌

定子

N S

N S

永久磁鐵 線圈

20

圖 2. 5 音圈馬達定位原理圖

圖 2. 6 音圈馬達追隨軌跡圖

圖 2. 7 音圈馬達定位原理圖

圖 2. 8 音圈馬達追隨軌跡圖

Electric Driving

Force

NSNS

Position A

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5

0 50 100 150

Position A

Time Position

Electric Driving

Force

NSNS

Position A

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5

0 50 100 150

Position A

Time Position

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圖 2. 9 音圈馬達定位原理圖

圖 2. 10 音圈馬達追隨軌跡圖