CN103354412A - 一种高频微位移驱动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频微位移驱动装置，属于微位移驱动器领域，包括壳体、设于所述壳体内部的音圈电机，所述音圈电机包括定子、沿所述定子的轴向方向运动的动子，所述定子与动子之间设有位移传感器，所述壳体的两侧设有与所述壳体固定连接的薄膜压盖，所述定子包括磁轭、固定于所述磁轭上的磁铁，所述动子包括中心轴、与所述中心轴固定连接的线圈支架、以及缠绕于所述线圈支架上的线圈，所述薄膜压盖的中部设有安装孔，所述中心轴穿过所述安装孔后通过止动螺母与限位轴肩紧固连接。本发明输出位移的精度高，线性及高频特性好，且结构紧凑，密封性好，集成度高，适用于小体积微动平台。

Description

一种高频微位移驱动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及微位移驱动器领域，尤其涉及一种高频微位移驱动装置以及这种装置实现微位移的控制方法。

背景技术

微位移驱动装置在光学器械、微电子加工以及高精密加工等技术领域中有及其广泛的应用。如：快刀伺服加工中心的刀具装置中就设置有一种响应快、精度高的微位移驱动装置。

压电陶瓷微位移驱动器是一种常见的微位移驱动装置，如中国专利文献申请公告号CN10248325A公布了一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括弹性膜片、上压板、M组1号压电组件、1号下底板与定位套。定位套的下端装入1号下底板的中心通孔内成动配合，M组1号压电组件以定位套为中心均布在1号下底板上，上压板套装在定位套的上端，上压板和M组1号压电组件上端面相接触，1号下底板和上压板之间用细长的紧固螺钉连接，弹性膜片通过螺钉和上压板与定位套的上端面紧固连接。该发明能运用于需要承受巨大负载条件下产生和改变输出位移的场合，但由于压电陶瓷的固有特性所致，存在迟滞、易蠕变、体积大以及难以实现线性输出的缺陷。

发明内容

为了克服现有微位移驱动器存在反应滞后、容易蠕变以及线性特性较差的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种高频微位移驱动装置，其输出位移的精度高，线性及高频特性好，且结构紧凑，密封性好，集成度高，适用于小体积微动平台。

本发明还要解决的技术问题在于提出一种高频微位移驱动装置的控制方法，能有效提高高频微位移驱动装置输出的位移精度及反应速度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高频微位移驱动装置，包括壳体、设于所述壳体内部的音圈电机，所述音圈电机包括定子、沿所述定子的轴向方向运动的动子，所述壳体的两侧设有与所述壳体固定连接的薄膜压盖，所述定子包括磁轭、固定于所述磁轭上的磁铁，所述动子包括中心轴、与所述中心轴固定连接的线圈支架、以及缠绕于所述线圈支架上的线圈，所述薄膜压盖的中部设有安装孔，所述中心轴穿过所述安装孔后通过止动螺母与限位轴肩紧固连接，所述定子与动子之间设有用于检测轴向位移的位移传感器。

进一步的，所述磁轭包括内壁、固定于所述壳体上的外壁、以及设于所述内壁与外壁之间的圆环槽，缠绕有所述线圈的一部分所述线圈支架嵌入所述圆环槽中。

进一步的，所述位移传感器为电容式位移传感器，其包括动电容片和静电容片，所述静电容片设于所述内壁和所述磁铁的一端，所述动电容片设于所述线圈支架上，且与所述静电容片的位置对应。

进一步的，所述磁铁设于所述内壁上，所述中心轴穿过所述内壁中部的通孔。

优选为，所述薄膜压盖包括薄膜、与所述薄膜固定连接的压盖，不同厚度的压盖与不同大小的力位移放大比相对应。

优选为，通过所述压盖紧固力的变化调节所述薄膜的张力大小，实现对所述位移放大比的微调。

一种高频微位移驱动装置的控制方法，按如下步骤实施：

S00：当所述中心轴不承受工作载荷时，与所述高频位移驱动装置相连的控制器控制所述音圈电机按预设力驱动所述中心轴沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架与所述磁轭的零载相对位移。

S10：所述控制器根据所述预设力和与所述预设力对应的所述零载相对位移建立力-位移零载模型。

S20：当所述中心轴承受工作载荷时，所述控制器控制所述音圈电机按步骤S00中的预设力驱动所述中心轴沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架与所述磁轭的有载相对位移。

S30：所述控制器比较每一时刻的零载相对位移和有载相对位移，所述控制器根据每一时刻的比较结果和该时刻所述音圈电机的输出力，求出所述中心轴承受的实时工作载荷。

S40：所述控制器依据所述实时工作载荷对力-位移零载模型进行修正，得到力-位移有载模型。

S50：所述控制器依据力-位移有载模型中的力控制所述音圈电机驱动所述中心轴沿轴向移动，所述中心轴带动所述薄膜压盖产生预定位移。

进一步的，S40步骤中，所述中心轴承受所述实时工作载荷，所述控制器驱动所述中心轴移动所述预定位移，所述控制器检测每个所述预定位移对应的所述音圈电机的有载输出力，得到力-位移有载模型。

进一步的，S50步骤中，所述位移传感器检测到所述线圈支架与所述磁轭的相对位移作为反馈信号输入至所述控制器中，所述控制通过闭环控制进一步修正所述预定位移。

本发明的有益效果为：本发明将音圈电机和力-位移转换结构巧妙的结合，实现了微位移驱动装置高频、高精度输出，克服了现有微位移驱动装置反应滞后、易蠕变以及线性特性较差的问题；通过实时监测位移传感器检测位移和每个检测位移对应的音圈电机输出的力，实现了对工作负载的实时监测；此外，本发明还具有结构紧凑，集成度高，适用于小体积微动平台等特点。

附图说明

图1是具体实施方式提供的高频微位移驱动装置的结构示意图；

图2是具体实施方式提供的高频微位移驱动装置I局部的结构示意图；

图3是具体实施方式提供的高频微位移驱动装置的控制方法的流程图。

图中：

1、壳体；21、磁轭；211、内壁；212、外壁；213、圆环槽；22、磁铁；23、中心轴；24、线圈支架；25、线圈；3、薄膜压盖；31、止动螺母；41、静电容片；42、动电容片。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，是高频微位移驱动装置的结构示意图。

本实施例中提供的一种高频微位移驱动装置，其包括壳体1和音圈电机，所述壳体1为筒状结构，所述音圈电机设于所述壳体1内部，所述音圈电机包括定子和动子、所述动子沿所述定子的轴向方向运动，所述定子与动子之间设有用于检测轴向位移的位移传感器。

所述定子包括磁轭21和磁铁22，所述磁铁22固定于所述磁轭21上。所述动子包括中心轴23、线圈支架24以及线圈25，所述线圈支架24固定于所述中心轴23上，所述线圈25缠绕于所述线圈支架24上。所述线圈25通电后与所述磁铁22相互排斥，驱动所述中心轴23沿轴向移动。

所述壳体1的两侧设有薄膜压盖3，所述薄膜压盖3与所述壳体1固定连接，所述薄膜压盖的中部设有安装孔，所述中心轴23穿过所述安装孔后通过止动螺母31与限位轴肩紧固连接。

所述薄膜压盖3包括薄膜、与所述薄膜固定连接的压盖，不同厚度的压盖与不同大小的力位移放大比相对应，可以根据实际需要挑选力位移放大比合理的压盖进行使用。此外，还可以进一步通过所述压盖紧固力的变化调节所述薄膜的张力大小，实现对所述位移放大比的微调。

所述磁轭21包括内壁211、外壁212以及设于所述内壁211与外壁212之间的圆环槽213，所述外壁212固定于所述壳体1上，缠绕有所述线圈25所述线圈支架24的一部分嵌入所述圆环槽213中。所述磁铁22设于所述内壁211上，所述中心轴23穿过所述内壁211中部的通孔。所述线圈25通电后与所述磁铁22发生排斥反应带动所述线圈支架24沿轴向移动，从而带动与所述线圈支架24固定连接的中心轴23沿轴向移动，从而实现轴向位移输出。此外，中心轴23受到的驱动力与压盖3的弹性薄膜形变产生的力相平衡，保证轴向位移的稳定输出。

如图2所示，是高频微位移驱动装置I局部的结构示意图。

本实施例中所述位移传感器为电容式位移传感器，所述电容式位移传感器包括动电容片42和静电容片41，所述静电容片41设于所述内壁211和所述磁铁22的一端的端面上，所述动电容片42设于所述线圈支架24上，且与所述静电容片41的位置对应。

当所述中心轴23发生轴向位移时，会带动所述线圈支架24与所述磁轭21之间的相对距离改变，相对距离与所述中心轴23的轴向位移产生的距离一致，相对距离的改变会引起动电容片42与静电容片41之间电容的变化，从而产生电信号，电信号输入控制器中，使得控制器实时监测中心轴23的轴向位移的变化，即所述薄膜压盖3的轴向位移的变化。

如图3所示，是高频微位移驱动装置的控制方法的流程图。

本实施例中提供的一种对上述高频微位移驱动装置进行控制的方法，按如下步骤实施：

S00步骤：所述中心轴23不承受工作载荷，与所述高频位移驱动装置相连的控制器控制所述音圈电机按预设力驱动所述中心轴23沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架24与所述磁轭21的零载相对位移。

S10步骤：所述控制器根据所述预设力和所述零载相对位移之间的数学关系建立力-位移零载模型，所述零载相对位移与所述预设力一一对应。

S20步骤：所述中心轴23承受工作载荷，所述控制器控制所述音圈电机按步骤S00中的预设力驱动所述中心轴23沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架24与所述磁轭21的有载相对位移。

S30步骤：所述控制器比较每一时刻的零载相对位移和有载相对位移，所述控制器根据每一时刻的比较结果和该时刻所述音圈电机的输出力，求出所述中心轴承受的实时工作载荷。

S40步骤：所述控制器依据所述实时工作载荷对力-位移零载模型进行修正，修正的过程如下：

所述中心轴23承受所述实时工作载荷，所述控制器驱动所述中心轴23移动所述预定位移，所述控制器检测每个所述预定位移对应的所述音圈电机的有载输出力，得到力-位移有载模型。

S50步骤：所述控制器依据力-位移有载模型中的力控制所述音圈电机驱动所述中心轴23沿轴向移动，使得所述中心轴23带动所述薄膜压盖3产生预定位移。

此时，所述位移传感器检测到所述线圈支架24与所述磁轭21的相对位移作为反馈信号输入至所述控制器中，所述控制通过闭环控制进一步修正所述预定位移。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高频微位移驱动装置，包括壳体（1）、设于所述壳体（1）内部的音圈电机，所述音圈电机包括定子、沿所述定子的轴向方向运动的动子，其特征在于：

所述壳体（1）的两侧设有与所述壳体（1）固定连接的薄膜压盖（3）；

所述定子包括磁轭（21）、固定于所述磁轭（21）上的磁铁（22），所述动子包括中心轴（23）、与所述中心轴（23）固定连接的线圈支架（24）、以及缠绕于所述线圈支架（24）上的线圈（25）；

所述薄膜压盖的中部设有安装孔，所述中心轴（23）穿过所述安装孔后通过止动螺母（31）与限位轴肩紧固连接；

所述定子与动子之间设有用于检测轴向位移的位移传感器。

2.根据权利要求1所述的高频微位移驱动装置，其特征在于，所述磁轭（21）包括内壁（211）、固定于所述壳体（1）上的外壁（212）、以及设于所述内壁（211）与外壁（212）之间的圆环槽（213），缠绕有所述线圈（25）的一部分所述线圈支架（24）嵌入所述圆环槽（213）中。

3.根据权利要求2所述的高频微位移驱动装置，其特征在于，所述位移传感器为电容式位移传感器，其包括动电容片（42）和静电容片（41），所述静电容片（41）设于所述内壁（211）和所述磁铁（22）的一端，所述动电容片（42）设于所述线圈支架（24）上，且与所述静电容片（41）的位置对应。

4.根据权利要求2所述的高频微位移驱动装置，其特征在于，所述磁铁（22）设于所述内壁（211）上，所述中心轴（23）穿过所述内壁（211）中部的通孔。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高频微位移驱动装置，其特征在于，所述薄膜压盖（3）包括薄膜、与所述薄膜固定连接的压盖，不同厚度的压盖与不同大小的力位移放大比相对应。

6.根据权利要求5所述的高频微位移驱动装置，其特征在于，通过所述压盖紧固力的变化调节所述薄膜的张力大小，实现对所述位移放大比的微调。

7.一种高频微位移驱动装置的控制方法，其特征在于，按如下步骤实施：

S00：所述中心轴（23）不承受工作载荷，与所述高频位移驱动装置相连的控制器控制所述音圈电机按预设力驱动所述中心轴（23）沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架（24）与所述磁轭（21）的零载相对位移；

S10：所述控制器根据所述预设力和与所述预设力对应的所述零载相对位移建立力-位移零载模型；

S20：所述中心轴（23）承受工作载荷，所述控制器控制所述音圈电机按步骤S00中的预设力驱动所述中心轴（23）沿轴向移动，所述位移传感器检测每个预设力驱动下的所述线圈支架（24）与所述磁轭（21）的有载相对位移；

S30：所述控制器比较每一时刻的零载相对位移和有载相对位移，所述控制器根据每一时刻的比较结果和该时刻所述音圈电机的输出力，求出所述中心轴承受的实时工作载荷；

S40：所述控制器依据所述实时工作载荷对力-位移零载模型进行修正，得到力-位移有载模型；

S50：所述控制器依据力-位移有载模型中的力控制所述音圈电机驱动所述中心轴（23）沿轴向移动，所述中心轴（23）带动所述薄膜压盖（3）产生预定位移。

8.根据权利要求7所述的一种高频微位移驱动装置的控制方法，其特征在于，S40步骤中，所述中心轴（23）承受所述实时工作载荷，所述控制器驱动所述中心轴（23）移动所述预定位移，所述控制器检测每个所述预定位移对应的所述音圈电机的有载输出力，得到力-位移有载模型。

9.根据权利要求7所述的一种高频微位移驱动装置的控制方法，其特征在于，S50步骤中，所述位移传感器检测到所述线圈支架（24）与所述磁轭（21）的相对位移作为反馈信号输入至所述控制器中，所述控制通过闭环控制进一步修正所述预定位移。

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