● 摘要
音圈电机是应用洛伦兹力原理、受喇叭的音圈的结构启发而设计成的直流电机，通常分为直线音圈电机、矩形音圈电机和摆角音圈电机。本文研究直线音圈电机位移的伺服控制系统。直线音圈电机具有良好的控制驱动特性，其具有响应速度快、噪声低、运行平稳，无需中间转换机构即可实现直线运动以及磨损小等优点，因此近年来受到广大学者的关注与重视。音圈电机在具有高精度、高频率往复运动的伺服需求方面具有广阔的应用前景。
本文研究了直线音圈电机伺服驱动控制系统，叙述了音圈电机伺服控制的研究发展现状，建立了包括重力扰动项的直线音圈电机的数学模型，并搭建了用于实现所设计的控制算法实验平台。在此基础上，本文着重设计并实现了以下三种伺服控制算法：
（1）三闭环伺服驱动控制算法。该算法以电流在内环、速度在中间、位置在外环依次分别组成三个闭环进行控制。本文采用P或PI算法构建这三个环。实验发现该算法可以基本上完成跟踪但是存在较大的相位延迟。本文针对三闭环伺服控制的延迟问题提出了基于速度加速度前馈和基于内模前馈的两种改进方法，有效降低了相位延迟问题。
（2）基于内模原理的伺服驱动控制算法。内模原理是一种通过把外部作用信号的动力学模型植入控制器的方式来构成精确控制反馈系统的设计原理。本文基于此原理，设计了跟踪正弦给定信号的直线音圈电机内模伺服控制算法。该方法具有控制律设计与证明简单，控制稳态精度高的优点，而且实验表明使用该控制算法的音圈电机伺服驱动控制系统的运行噪声低，运行平滑性好且能耗低。
（3）重力扰动下的音圈电机滑模伺服控制算法。滑模控制算法是变结构控制算法的一个具体应用。在实际系统中的应用也很广泛。本文将滑模控制算法应用于直线音圈电机的伺服驱动控制，考虑了水平与垂直两个方向上的控制问题。着重考察了垂直方向上，在重力影响下的伺服问题，设计了基于动态滑模面的滑模伺服控制算法。仿真以及实验均表明该控制算法确实可以克服重力扰动的影响，并且在稳态精度上比普通三闭环控制算法要更好。
以上所述的几种控制算法均已在同一实验平台下实验通过，并且以普通三闭环控制算法为基准，对改进的三闭环控制算法、内模控制算法以及动态滑模控制算法在稳态周期内的绝对误差的平均值、方差以及最大值进行了评估。实验数据表明，所提出的控制算法均具有比普通三闭环控制算法更优良的性能。因此，本文所提出的控制算法均具有实际应用价值，实际应用中可以根据实际需要参考所提出的控制算法的不同侧重做出选择。