1、1力矩器设计精密仪器设计实践第1页，共58页。2本节课主要内容力矩器介绍力矩器介绍力矩器的结构和模型力矩器的结构和模型力矩器的性能评价指标力矩器的性能评价指标力矩器的设计力矩器的设计第2页，共58页。3力矩器的功能是光盘系统聚焦和循迹伺服的执行机构。是光盘系统聚焦和循迹伺服的执行机构。实时地带动物镜运动，使得聚焦光斑能够实时地带动物镜运动，使得聚焦光斑能够克服光盘起伏振动等带来的盘片在聚焦方向克服光盘起伏振动等带来的盘片在聚焦方向和轨迹方向的偏移，从而精确的落在光盘的和轨迹方向的偏移，从而精确的落在光盘的信息轨道上。信息轨道上。第3页，共58页。4力矩器(Actuator)的功能X预放大PID
2、校正ACT.压流转换偏置电压-Y+E+UY离焦检测和信道跟踪检测驱动力：带电线圈在磁场中受到一定的磁场力，从而带动力矩器的可动部件沿着磁场力方向运动聚焦/循迹的伺服系统图第4页，共58页。5力矩器的种类滑转式滑转式第5页，共58页。6滑转式力矩器的组成第6页，共58页。7力矩器的种类悬丝类悬丝类第7页，共58页。8力矩器的种类悬丝类实物照片：构造和示意图略有区别。第8页，共58页。9一种结构更简单的二维悬丝力矩器第9页，共58页。10力矩器可动部件的回复力力矩器中的弹性元件提供可动部件的回复力。悬丝：利用悬丝的弹性回复力如前所述的悬丝力矩器弹簧铁片：代替悬丝做弹性元件塑料铰链：代替悬丝做弹性元
3、件铁芯：利用磁钢对铁芯的吸引，类似于磁悬浮，如前所述的滑转式力矩器弹性元件第10页，共58页。11力矩器的模型力矩器的力来源力矩器的力来源驱动力：可动部件的驱动力由通电线圈在永磁铁磁场中的受力提供。回复力：可动部件的回复力由弹性支撑提供。CDCD的力矩器为二维力矩器：的力矩器为二维力矩器：聚焦方向是控制物镜和光盘的距离，纠正离焦；循迹方向是控制光斑跟踪在正确的光盘轨道上。第11页，共58页。12原理模型：弹簧质量阻尼系统在运动范围非常微小的情况下，可以把聚焦或循在运动范围非常微小的情况下，可以把聚焦或循迹方向分别近似的视为迹方向分别近似的视为弹簧弹簧质量质量阻尼系统阻尼系统。第12页，共58页
4、。13传递函数为二阶振荡系统2()()()()21ncnx iH iKI iii cKnmkf2/k：直流增益，：谐振角频率，：阻尼系数，：可动部件的质量，：弹簧系数。m第13页，共58页。14力矩器的理论频率响应图根据二阶振荡系统的知识可知，频域的响应应如下图所示第14页，共58页。15 传递函数说明力矩器低频段的传递函数主要取决于弹簧常数k（增益为1/k）；而中频段将明显有共振特性，在低阻尼情况下（良好的机械特性需要较低的阻尼系数），共振峰值在频率 处0mk/0第15页，共58页。16力矩器的实际频率响应图实际响应图和理论响应图在高频有区别，因为实际上有附加的机械谐振第16页，共58页。1
5、7力矩器的性能评价从力矩器的实测频率响应图上可以分析出力矩器的大部分性能指标。力矩器的性能指标：静态特性位移范围静态灵敏度动态特性动态灵敏度一阶共振频率及峰值二阶共振频率及峰值第17页，共58页。18力矩器可动部件的位移范围（一）工作中可动部件的有效移动范围非常微小：聚焦位移都在10m之内；循迹位移都在10m之内；光学头在通电工作之后，为了判断盘仓内是否有盘片，力矩器需要进行盘片探测即聚焦OK运动，此时可动部件在聚焦方向的位移较大（300m左右）。第18页，共58页。19力矩器可动部件的位移范围（二）光盘驱动器在接受到多轨读取指令或者下一个读取轨道距离当前轨道较远（一般为10个轨道之内，否则光
6、学头寻轨步进电机会工作）时，可动部件在循迹方向的位移也可能达到20m以上。此外，在进行力矩器产品检测时，往往需要检测循迹位移在300m以内的可动部件频率特性。保证工作位移范围内的线性度。第19页，共58页。20力矩器可动部件的位移范围（三）聚焦位移范围需要达到500m左右；循迹位移范围需要达到300m左右；在此范围内，可动部件的位移-电流（或位移-电压）关系是否线性以及线性度的程度，是反映力矩器性能的重要指标。第20页，共58页。21力矩器的静态灵敏度该参数直接反映了力矩器的驱动状况，并间接反映了力矩器的摩擦阻尼性能。聚焦静态灵敏度；循迹静态灵敏度；常用低频（通常为5Hz）的测量值来代替；灵敏
7、度和稳定性具有一定的矛盾；第21页，共58页。22力矩器的静态灵敏度静态灵敏度可由可动部件运动位移和低频驱动电流（或驱动电压）之间曲线的斜率得到。可从伯德图中得到；20lgValue灵敏度第22页，共58页。23力矩器的性能评价指标：动态特性动态特性 动态灵敏度 一阶共振频率及峰值 二阶共振频率及峰值一阶谐振处二阶及高阶谐振处第23页，共58页。24动态灵敏度该参数直接反映了力矩器工作状态下的运动能力。聚焦动态灵敏度循迹动态灵敏度一般而言，动态灵敏度是在力矩器处于中频工作状态（如）时测量得到的。动态灵敏度反映了力矩器在工作性能，它可由可动部件运动位移和中频驱动电流（或驱动电压）之间曲线的斜率得
8、到。第24页，共58页。25动态灵敏度动态灵敏度必须在适当的范围内，否则力矩器无法达到理想的工作性能。动态灵敏度不能过高，否则此时力矩器的工作趋向于不稳定的振荡；动态灵敏度也不能过低，否则力矩器趋向于停滞而无法驱动。第25页，共58页。26一阶共振频率及峰值 该参数反映了力矩器的固有特性。聚焦一阶共振频率；循迹一阶共振频率；聚焦一阶共振峰值；循迹一阶共振峰值；一阶共振频率反映了系统的位移刚度和质量，以及转动刚度和转动惯量之间的关系。一阶共振频率在一定程度上反一阶共振频率在一定程度上反映了系统的快速性和稳定性映了系统的快速性和稳定性。第26页，共58页。27一阶共振频率及峰值 一阶共振峰值，则直
9、观地反映了力矩器系统的阻尼状况。共振峰值过高，则系统阻尼过小，系统工作易于振荡，稳定性低；共振峰值过低，则系统阻尼过大，系统的驱动性能弱，灵敏度低。力矩器的一阶共振频率和峰值都需要在适当的范围内，否则力矩器无法达到理想的工作性能。取决于误差的频率范围第27页，共58页。28二阶共振频率及峰值该参数反映了力矩器中机械谐振环节的性能。聚焦二阶共振频率；循迹二阶共振频率；聚焦二阶共振峰值；循迹二阶共振峰值；二阶共振频率越低，其峰值越高，系统的带宽就越有限，所受附加环节的影响就越严重。第28页，共58页。29二阶共振频率及峰值 理想状况下的二阶振荡系统并没有二阶共振。在力矩器测量结果中，总是伴有高频的
10、二阶共振频率和峰值出现。这实际上是力矩器众多组件所附加的机械谐振环节的体现。低频（5Hz以下）或者中频工作状态下，机械谐振往往不会显现出来；高频（1kHz以上）状态下，由于机械谐振环节的反应滞后，二阶共振峰值就会出现。第29页，共58页。30力矩器的参数根据前面的力矩器的性能指标，因此完整表征力矩器性能的参数较多；参数分为聚焦和循迹两方面，部分参数如后表所示。第30页，共58页。31参数参数取值范围（取值范围（DVDDVD光学头）光学头）聚焦位移范围 左右聚焦一阶共振频率30Hz聚焦一阶共振峰值10dB20dB聚焦二阶共振频率10KHz聚焦二阶共振峰值30Hz循迹一阶共振峰值10dB20dBm
11、500m300力矩器参数（一）第31页，共58页。32力矩器参数（二）30um循迹线性范围30um聚焦线性范围2040um/v动态循迹位移灵敏度4060um/v动态聚焦位移灵敏度0.300.70mm/v静态循迹位移灵敏度0.801.50mm/v静态聚焦位移灵敏度20KHz循迹二阶共振频率取值范围（取值范围（DVDDVD光学头）光学头）参数参数第32页，共58页。33力矩器性能的粗略评价幅频相频曲线的光滑程度：在力矩器聚焦和循迹方向的幅频相频曲线上，除了一阶和二阶共振频率处之外，尤其是中频段，不能有任何突变，尤其是中频段，不能有任何突变，否则表明力矩器系统中有附加高阶谐振系统，力矩器的工作性能不
12、可靠。第33页，共58页。34力矩器性能的粗略评价中频不好第34页，共58页。35力矩器性能的粗略评价二阶谐振频率及峰值：力矩器的二阶谐振频率必须尽量高，对于对于DVDDVD光学头二维力矩器而光学头二维力矩器而言，至少要高于言，至少要高于30KHz30KHz，相应峰值至少要低于-40dB，否则表明力矩器系统带宽不够，其具有的附加机械谐振无法忽略。第35页，共58页。36力矩器性能的粗略评价DVD光学头二维力矩器，由于信道轨间距更加密集，循迹方向的一阶谐振频率必须要高于CD光学头二维力矩器的循迹一阶谐振频率。DVD光学头聚焦一阶谐振频率和循迹一阶谐振频率都要高于30Hz，自然频率峰值为1020d
13、B，具体数值由各厂家自行确定。第36页，共58页。37力矩器的设计第一步：方案结构设计第二步：性能分析，参数优化（力矩器的关键技术）第37页，共58页。38力矩器的关键技术基本分析设计磁场分析和设计了解磁场的基本特点设计合理的磁场分布以满足力矩器的运动要求力学分析和设计了解振动力学、弹性力学、材料力学设计良好的力矩器的回复力，设计合适的一阶谐振频率第38页，共58页。39力矩器的关键技术高级分析和设计 系统高阶谐振分析了解高阶谐振产生的根源，优化可动部件的结构模式抑止高阶谐振或者把高阶谐振频率推向更高频率，使得力矩器的频率响应在中频段拥有良好的线性度系统热结构分析了解力矩器热产生的根源和热传递
14、的特点减小热生成，创造良好的热传递和散热条件，防止局部积热产生变形系统阻尼设计使得一阶谐振的峰值在合适的范围内使得系统具有一定的稳定性第39页，共58页。40磁场的性能要求均匀性：在线圈的运动区域里，尽量保持磁场的均匀，以保持线圈的运动的线性；磁感应强度：磁感应强度必须达到一定的程度，以保证力矩器的灵敏度；第40页，共58页。41磁场设计的通常做法通过封闭磁路来达到要求；封闭磁路结构中的气隙磁场比开放磁场的空间磁场分布均匀，强度要强；气隙的中间部分较均匀；气隙部分不能太长；第41页，共58页。42磁场的设计方法磁路分析法磁路分析是按照类似电路的方法，把磁通量所通过的磁介质的路径称为磁路。磁路分
15、析具有较大的误差；磁路截面内通常考虑成均匀分布；磁漏的大小分析不准确因此，通常用磁路的思想进行力矩器磁结构的第一步定性分析。力矩器的磁结构通常都要保证磁场构成磁回路，以减小磁漏，强制磁场分布均匀，增加磁场强度。第42页，共58页。43磁路示意轭铁磁钢磁力线磁路第43页，共58页。44磁场的设计方法磁场计算和利用有限元软件，该方法的优点是能够了解磁场边缘部分的磁场分布。利用Maxwell方程组推导出磁场的计算方法；利用有限元软件和这些磁场计算方法进行计算；第44页，共58页。45力矩器的驱动力来源详细分析力矩器的驱动力本质是电荷在磁场中的受力。因此，要准确分析受力情况，就需要准确的分析力矩器的磁
16、场。力矩器的磁场由永磁体产生，现在通常使用的是稀土永磁体钕铁硼(NdFeB)。第45页，共58页。46线圈的驱动力计算线圈所受的聚焦驱动力（循迹类似）：由于磁场在空间的分布不均，因此可以把线圈进行微元分解，再积分进行计算；因此关键是分析出力矩器空间的磁场。fffffILBNF 第46页，共58页。47力矩器的空间磁场计算Maxwell方程组发展出的标量磁位和矢量磁位方法；有限元软件（如Ansys）的电磁计算部分通常含有标量磁位和矢量磁位的计算方法；设计力矩器的磁场和使用有限元分析软件需要了解磁钢和磁化的基本知识。第47页，共58页。48Ansys磁场分析实例模型轭铁磁钢表面空间表面空间充满空气
17、充满空气第48页，共58页。49Ansys磁场分析实例结果第49页，共58页。50磁场的设计方法工程实践：无论是哪种方法，磁场的特性都决定了其不可能事先被精确的计算，因此通常是计算设计，制作样品，然后工程实际测量，然后再调整参数计算，再修改设计，反复重复这样一个反馈的过程。第50页，共58页。51力学设计方法建立力学模型（两种方法）刚体质心运动定理、欧拉动力学方程通过势能和动能来分析力学特性通过力矩器力学模型，分析各个结构参数对力矩器性能的影响根据分析结果设计合理的结构尺寸第51页，共58页。52力学分析：对称滑转型力矩器建模第52页，共58页。53受力分析（不细讲）第53页，共58页。54平
18、动和受力平衡质心运动定理cybffFmgffFFym210cxbtFtNtNFtFxmcoscoscos1210czFtNtNtFFzmsinsinsin1210 fffffILBNF 0yKFybf第54页，共58页。55转动和受力平衡fFFCJTbtyPtemgCJJtxPTsintlNlNemgCJJtzPTcos)(2211 TTTTTILBNF KFb)(21NNf欧拉动力学方程第55页，共58页。56力矩器的力学分析通过前面建立的力学方程组，可以对力矩器进行全面的动力学分析，例如：和力矩器的频率响应结合，可以理论上分析影响力矩器静态特性和动态特性参数；可以对力矩器的聚焦和循迹之间的串扰力进行分析；根据前面的结果，和力矩器的结构设计相结合，可以指导力矩器的结构参数的优化设计；第56页，共58页。57设计总结结构维数（二维、三维、四维）支撑方式（回复力来源）驱动方式（磁钢的位置，线圈的位置，电流方向）可动部件重量，验证回复力是否足够（回复刚度同样影响到一阶谐振，带宽等）验证灵敏度是否够验证带宽等第57页，共58页。58参考资料光盘存储系统设计原理，徐端颐著，国防工业出版社高密度数字光盘光学头多维物镜力矩器的研制，黄磊，清华大学，2003第58页，共58页。
