运动控制：音圈电机

在运动平台中，对于微小运动，例如1-5毫米，甚至更小的行程，常用音圈电机来驱动。

因为它们具有体积小，运动质量小，高加速度等显著特征。

无论是在工业领域，还是在医用内窥镜，呼吸机，以及摄像头调焦等方面都有广泛的应用。

比如小位移吸取头，常用扁平型音圈电机驱动，配合LVDT绝对式位移传感器，检测运动轴位置。

再比如，手机摄像头中，用圆柱形音圈电机，来带动镜头运动，实现调焦。

线圈运动式单轴音圈电机驱动平台

音圈电机用于微摄像头调焦 

 不同形式的音圈电机驱动平台和调焦平台及其参数

那么，何为音圈电机（VCM=Voice Coil Motor）？其运动原理是什么？

1. 什么是音圈？

首先，什么是音圈？

音圈一词，其实来源于扬声器。

它实质上就是一个线圈。

在扬声器中，用来产生（展示）声音信号，所以叫音圈，多亏了它，我们才能听到美妙的音乐。

扬声器的底层逻辑，其实也是带电导线在磁场中受洛伦兹力，发生有规律的运动，带动相关部件振动，进而发出声音。

我们来具体看一下。

音圈（线圈）缠绕在椎体上，永磁体南北极如上左图（a）所示，内圈是北极，外圈是南极，在剖视图（b）中，磁场穿过音圈导线向外辐射，当导线通声音信号（电流）时，音圈在左右方向受力，发生运动，带动锥体振动，通过空气把声音扩散到外部。

音圈用于扬声器的原理

通电时，音圈来回运动

 

2．音圈电机结构及原理

音圈电机的原理，和上面所说的一模一样：线圈在永磁场中通电受力，发生运动，只不过音圈电机线圈不连接在扩音部件上，而是连接在其他需要驱动的部件上。

磁体运动式圆柱形音圈电机内部结构示意图：音圈固定，磁体和轴固连，轴两端有柔性导向结构，当线圈通电，线圈和磁铁之间会产生轴向力，带动轴运动。

线圈运动式音圈电机剖视图，上方线圈电流垂直于屏幕向外，下方电流垂直于屏幕向里，磁场在缝隙中垂直于电流，使用左手定则（让磁感线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指所指方向就是线圈受力方向），很容易知道线圈沿左右方向受力运动。

 这张图和轴式直线电机何其相似，只需要把磁铁复制排列好并固定，然后把线圈释放，不就是轴式直线电机了吗。

线圈受到的力称为洛伦兹力，由电流和磁通量的乘积确定：

F = k * B * L * I * N

其中，

F =力（N）

k =力常数

B =磁通密度（特斯拉）

L =线长（m）

I =电流（安培）

N =导体数量

对于给定的音圈，除电流外，所有参数都是固定的。因此，产生的力与输入电流成正比。力的方向既垂直于磁通量方向，又垂直于电流方向，改变电流方向会改变力的方向。

这就是音圈电机的原理。

其核心，还是通电线圈在磁场中受洛伦兹力。

在实际应用中，音圈产生的力推动负载，活动部件可以是线圈，也可以是磁体（力是相互的）。

 

线圈运动比磁体运动质量低得多，可以驱动更高负载。

但是，线圈会产生热量，如果负载对温度波动敏感，那么使用磁体移动更好。

当然，作为一个完整的执行机构，音圈电机和直线电机一样，需要导向机构和位置反馈装置。

导向机构可以用柔性结构（一般用于微小运动），滑块式导轨，空气轴承，或者交叉滚子导轨等。

反馈设备，可以用光栅尺和读数头，也可以用LVDT位移传感器，霍尔传感器等。它们和伺服控制器，提供了一种闭环系统，可实现极其精确的位置和速度控制。

即使没有反馈装置，音圈电机也具有良好的力控制，这是因为其产生的力与施加的电流成正比。

单轴及双轴音圈电机驱动平台，其中底部图片是双轴运动平台，且其最底层运动轴是双电机驱动。

2轴音圈电机驱动平台

3轴音圈电机驱动平台

3. 音圈电机如何应用于镜头调焦？

我们再来仔细看看，音圈电机是如何用于镜头调焦的。

扁平形和圆柱形都看一下。

扁平式音圈电机，用于驱动微镜头调焦：如图（b）所示，镜头和永磁铁固定在镜架上，然后穿在图（c）对角线上两根导向杆中。如图（c），导向杆及线圈还有霍尔传感器固定在基座上，当线圈通电，便可驱动镜头上下运动，实现调焦。

圆柱式音圈电机，驱动镜头上下运动，实现调焦：镜头和线圈固定在蓝色镜座上，顶部和底部有黄色的柔性导向结构，它们和镜座固连。柱形磁铁在外侧提供磁场，磁场辐射方向垂直于线圈，容易判断出线圈在上下方向受力，带动镜头运动，从而实现调焦。

到此，我们明白了音圈电机的工作原理。

正因为这个原理，音圈电机有如下的一些优点：无需换相，低至无迟滞，零齿槽，与“螺杆式”动力器相比，机械部件更少，线性控制特性，高功率质量比，高功率体积比，无限位置（仅受编码器限制），高加速度等。

所以音圈电机很适合于小位移直线运动，如果你的设计中有这个要求，不妨可以考虑一下使用音圈电机。