CN103856102B - 微动力的精确调节控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动力的精确调节控制系统，包括微动力装置和微动力控制系统；微动力装置包括超磁致伸缩薄片、永久磁铁、静轭Ⅰ和静轭Ⅱ构成的磁路Ⅰ，以及通过永久磁铁、静轭Ⅰ、静轭Ⅱ和移动轭构成的磁路Ⅱ；磁路Ⅱ中设置有气隙；磁路Ⅰ和磁路Ⅱ上分别设置有磁力调节装置；磁路Ⅰ的超磁致伸缩薄片上设压电陶瓷薄片；磁路Ⅱ的移动轭通过步进电机驱动的滚珠丝杠升降台固定；微动力控制系统包括传感器组和依次通过信号连接的信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器、数模转换器以及驱动电源；信号放大器分别与传感器组连接；驱动电源与压电陶瓷薄片电连接，信号综合分析控制器通过步进电机驱动器与步进电机相连接。

Description

微动力的精确调节控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及力的调节控制领域，尤其涉及微动力的精确调节方法及控制系统。

背景技术

当前，微机电系统的发展极为迅速，但也存在一些技术瓶颈。微机电系统技术面临的主要问题之一就是微装配技术。大多数微机电系统由不同材料和不同加工方法的微小零件组成，随着零件的不断微小化，微系统的加工、装配越来越困难。在零件的运输、加工及装配等过程的损坏中机械损坏和热变形损坏占了很大的比重，尤其对机械接触力或热量非常敏感的零件进行操作时，这些零件在受到较小的作用力或热量就会产生变形或破碎，严重影响了产品的质量和产量，也使其生产成本大大提高。

为解决这些问题，研究人员已提出多种基于不同单一原理的微动力产生形式，如基于静电力、电磁力、压电作用、热膨胀和形状记忆合金特性等制成了相关的微动力构件，但每一种构件都有其自身的局限性。如果结合多种原理的优势，制作复合结构的微动力构件将会有更广阔的的前景。

超磁致伸缩材料（GiantMagnetostrictiveMaterial,简称GMM）在电磁场、压力的作用下，会产生较大的体积或长度变化，即可大功率、高效率地实现电磁能与机械能之间的转换。尤其在中低频（5Hz-20kHz）时，有着大行程、大功率、低压驱动、承载能力强、非接触式测量和控制等方面的优点。压电陶瓷（PZT）工作时由电压驱动，在其保持伸长状态时，几乎不消耗能量，不产生发热现象,能减少构件本身发热对工作精度的影响。因此，集成GMM与PZT的工作特性，能改善单一功能材料的性能，拓展复合构件的应用范围，为微动力构件的研究提供了一种新的思路。目前国内尚未见该方面的微动力构件的报道，也未见基于超磁致伸缩材料与压电陶瓷材料相耦合的微动力构件的微力精确调节方法。为促进超磁致伸缩材料与压电陶瓷材料的复合构件在微动力构件研究中的发展，现在急需一种基于超磁致伸缩材料与压电陶瓷材料相耦合的微动力构件的微力精确调节方法及控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的微动力的精确调节控制系统及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微动力的精确调节控制系统，包括微动力装置和微动力控制系统；所述微动力装置包括超磁致伸缩薄片、永久磁铁、静轭Ⅰ和静轭Ⅱ构成的磁路Ⅰ，以及通过永久磁铁、静轭Ⅰ、静轭Ⅱ和移动轭构成的磁路Ⅱ；所述超磁致伸缩薄片和永久磁铁相互平行，所述超磁致伸缩薄片和永久磁铁的两端分别通过静轭Ⅰ和静轭Ⅱ夹紧；所述静轭Ⅰ和静轭Ⅱ的一端设置移动轭，所述静轭Ⅰ和静轭Ⅱ以及移动轭之间设置有气隙；所述磁路Ⅰ和磁路Ⅱ上分别设置有磁力调节装置；所述磁路Ⅰ的磁力调节装置为分别设置在超磁致伸缩薄片正、反两面的压电陶瓷薄片；所述磁路Ⅱ的磁力调节装置为通过步进电机驱动的滚珠丝杠升降台；所述微动力控制系统包括驱动电源、传感器组和依次通过信号连接的信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器、数模转换器以及驱动电源；传感器组包括设置在气隙上的微位移传感器，分别设置在移动轭上的微力传感器和磁路Ⅱ拾磁线圈，分别设置在超磁致伸缩薄片上的温度传感器、应变计以及磁路Ⅰ拾磁线圈；所述信号放大器分别与微力传感器、微位移传感器、温度传感器、应变计、磁路Ⅰ拾磁线圈以及磁路Ⅱ拾磁线圈信号连接；所述驱动电源与压电陶瓷薄片电连接，所述信号综合分析控制器通过步进电机驱动器与步进电机相连接。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述计算机和信号发生器之间设置有光电耦合器。

一种微动力的精确调节控制的方法：包括均采用闭环反馈调节的气隙调节法和电压调节法；所述气隙调节法通过对实时微力的采样检测构成反馈回路；所述电压调节法通过检测磁路中拾磁环产生的感应电流构成反馈回路。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述气隙调节法步骤如下：1）给定预设微力值F₁，将所需的微力值F₁输入到计算机内作为参照值储存；2）移动轭复位，气隙长度调整到最大；3）对压电陶瓷薄片施加一恒定驱动电压；4）闭环反馈调节微动力装置的气隙长度。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的进一步改进：所述步骤2）的具体步骤如下：计算机发出复位指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令产生相应的脉冲信号给步进电机驱动器，控制步进电机转动，带动滚珠丝杠升降台运动，滚珠丝杠升降台带动移动轭向增大气隙长度方向移动，当移动轭移动到原点位置时，停止对步进电机发送驱动信号，移动轭实现复位；所述步骤3）的具体步骤如下：由计算机发出指令，该指令经光电耦合器、信号发生器、功率放大器、数模转换器送入驱动电源，由驱动电源产生的驱动电压控制压电陶瓷薄片产生应变，并带动超磁致伸缩薄片产生相应的应变，进而通过磁路Ⅰ中磁通量发生的改变带动磁路Ⅱ中磁通量发生相应的改变，使得移动轭所受微力值变为辅助微力值F₂；所述步骤4）的具体步骤如下：计算机发出运行指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令，产生脉冲信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机转动相应的步距角，步进电机带动滚珠丝杠升降台上升一个单位长度的位移L，滚珠丝杠升降台的运动带动移动轭向减小气隙长度方向移动L长度；信号综合分析控制器发送完脉冲信号之后，微力传感器检测移动轭所受的实时微力值F₃，检测到的模拟信号经信号放大器放大后，由模数转换器转换成数字信号并传送给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器比较实时微力值F₃与预设微力值F₁的大小：若实时微力值F₃与预设微力值F₁之间的差值小于或等于允许误差值，则信号综合分析控制器发送信号给计算机，提示任务完成；否则，继续执行步骤4）。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述步骤步骤3）中，辅助微力值F₃小于预设微力值F₁。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述电压调节法的步骤如下：①给定预设微力值F₁，将所需的微力值F₁输入到计算机内作为参照值储存；②调节初始气隙长度，为压电陶瓷薄片进行微力调节提供辅助微力N：③调节微动力装置上作用给压电陶瓷薄片的驱动电压值V，直到实时微力值F₂与给定预设微力值F₁之间的差值小于等于允许的误差值时停止。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述的步骤②的具体步骤如下：首先计算机根据预设微力值F₁计算所需要的辅助微力值；然后计算机发出运行指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令，产生脉冲信号给步进电机驱动器，控制步进电机带动滚珠丝杠升降台移动，从而使气隙长度发生改变；所述的步骤③的具体步骤如下：计算机发出一条指令，该指令经光电耦合器、信号发生器、功率放大器、数模转换器送入驱动电源后，由驱动电源产生相应的驱动电压控制压电陶瓷薄片产生应变，并带动超磁致伸缩薄片产生相应的应变，进而通过磁路Ⅰ中磁通量发生的改变带动磁路Ⅱ中磁通量发生相应的改变，使得移动轭所受微力值也发生改变；执行完这一指令后，传感器所检测的实时微力值经信号放大器放大和模数转换器转换后，被信号综合分析控制器读取，信号综合分析控制器读取实时微力值信号并与预设微力值进行比较，直到实时微力值F₂与给定预设微力值F₁之间的差值小于或等于允许的误差值时，信号综合分析控制器发送信号给计算机提示任务完成，否则向计算机发送信号，提示继续执行步骤③。

作为对本发明所述的微动力的精确调节控制系统的改进：所述拾磁环检测微力的工作过程如下：当磁路Ⅰ和磁路Ⅱ中的磁通高频变化时，拾磁环中产生感应电流，信号综合分析控制器读取感应电流信号，通过计算得到磁通量的变化量，进而计算得出移动轭所受微力的大小。

本发明的微动力的精确调节控制系统及其控制方法中，可以进行气隙调节法和电压调节法两种方法对微动力装置进行微动的调节；而通过在微动力装置上设置有传感器组，可以进行微动力的即时检测，对微动力进行及时的调整，而依次通过信号传递的连接方式进行连接的信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器、数模转换器以及驱动电源则可以进行动力源的精确输出。通过计算机和信号发生器之间设置的光电耦合器，可以有效的隔绝计算机与磁场之间的干扰。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明所述微动力装置的结构原理图；

图2是一种微动力的调节控制系统结构示意图；

图3是微动力精确调节方法1的流程框图；

图4是微动力精确调节方法2的流程框图。

具体实施方式

实施例1、图1给出了一种微动力的精确调节方法及控制系统；微动力的精确调节控制系统包括微动力装置和微动力控制系统。

微动力装置为磁力微动力装置，包括超磁致伸缩薄片1、静轭4、永久磁铁3以及移动轭6。静轭4分为相互独立的静轭Ⅰ和静轭Ⅱ，静轭Ⅰ和静轭Ⅱ之间分别通过相互平行的超磁致伸缩薄片1和永久磁铁3相互连接；分别相对于静轭Ⅰ和静轭Ⅱ的一端，设置移动轭6；通过超磁致伸缩薄片1、静轭Ⅰ、永久磁铁3以及静轭Ⅱ之间构成磁路Ⅰ，移动轭6、静轭Ⅱ、永久磁铁3以及静轭Ⅰ构成的磁路Ⅱ；在磁路Ⅱ中，移动轭6和静轭Ⅱ以及静轭Ⅰ之间设置气隙5。

移动轭6和超磁致伸缩薄片1上分别设置有磁力调节装置；移动轭6上的磁力调节装置为由信号综合控制器控制的滚珠丝杠传动装置，它包括16细分步进电机驱动器、步进电机、滚珠丝杠升降台；通过16细分步进电机驱动器可以精确的控制步进电机的输出，再通过滚珠丝杠升降台将步进电机的输出转换成位移量，精确调节移动轭6和静轭Ⅱ以及静轭Ⅰ之间气隙5的大小；经过对气隙5大小的调节，可以改变移动轭6所受磁力的大小。而超磁致伸缩薄片1上的磁力调节装置为压电陶瓷薄片，压电陶瓷薄片分别覆盖超磁致伸缩薄片1的正、反两面，在使用的时候，只需要在分别覆盖超磁致伸缩薄片1正、反两面的压电陶瓷薄片上设置电极，就能通过电极供电使得压电陶瓷薄片产生应变，进而带着超磁致伸缩薄片1做相应的应变，从而使磁路Ⅰ中的磁通量发生改变，磁路Ⅱ中的磁通量相应发生改变，最终使移动轭6所受的微力发生变化。

微动力控制系统的结构如图2所示，包括传感器组和依次通过信号传递的连接方式进行连接的信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器、数模转换器以及驱动电源。传感器组包括微力传感器、微位移传感器、温度传感器、应变计、磁路Ⅰ拾磁线圈以及磁路Ⅱ拾磁线圈；微位移传感器设置在气隙5上；微力传感器和磁路Ⅱ拾磁线圈分别设置在移动轭6上；温度传感器、应变计以及磁路Ⅰ拾磁线圈分别设置在超磁致伸缩薄片1上。信号放大器分别与微力传感器、微位移传感器、温度传感器、应变计、磁路Ⅰ拾磁线圈以及磁路Ⅱ拾磁线圈信号连接；通过信号放大器将微力传感器、微位移传感器、温度传感器、应变计、磁路Ⅰ拾磁线圈以及磁路Ⅱ拾磁线圈所获得的模拟信号进行相关处理；而信号放大器和信号综合分析控制器之间设置有模数转换器；通过模数转换器将经过信号放大器的处理后的传感器模拟信号转换成信号综合分析控制器能够读取的数字信号，再由信号综合分析控制器进行相应处理后，将该信号发送给计算机，计算机根据当前微动力装置的运行状态输出相应的指令；由于计算机输出容易受到干扰，如磁场等干扰等，所以在计算机和信号发生器之间设置有光电耦合器。以上所述的驱动电源与两片压电陶瓷薄片之间分别通过电极7电连接，信号综合分析控制器通过步进电机驱动器与步进电机驱动器，由步进电机驱动器驱动步进电机做精确的运动相连接。

本发明提供两种微动力的精确调节方法：

方法一、气隙调节法：

图3所示为本发明给出的气隙调节发的流程图，气隙调节法采用闭环反馈调节，通过对实时微力的采样检测构成反馈回路，其具体步骤如下：

1）给定预设微力值F₁，将所需的微力值F₁输入到计算机内作为参照值储存；

2）移动轭6复位，气隙5长度调整到最大：

由计算机发出复位指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令产生相应的脉冲信号给步进电机驱动器，控制步进电机转动，带动滚珠丝杠升降台运动，滚珠丝杠升降台的运动带动移动轭6向增大气隙5长度方向移动，当移动轭6移动到原点位置时，通过在原点位置设置限位开关，当升降台触动限位开关，信号综合分析控制器收到限位开关发送的信号后，停止对步进电机发送驱动信号，移动轭6实现复位，此时移动轭6所受微力值小于允许误差值ε，可忽略不计。

3）对压电陶瓷薄片施加一恒定驱动电压：

由计算机发出指令，该指令经光电耦合器、信号发生器、功率放大器、数模转换器送入驱动电源后，由驱动电源产生驱动电压，驱动电压使压电陶瓷薄片产生应变，并带动超磁致伸缩薄片1产生相应的应变，进而使磁路Ⅰ中磁通量发生改变，由于磁通具有连续性，所以磁路Ⅱ中磁通量相应发生改变，使移动轭6所受微力值变为F₃（F₃为辅助微力值且F₃＜F₁）。

4）闭环反馈调节微动力装置的气隙5长度：

计算机发出运行指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令，产生1个脉冲信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机转动1/16个步距角，步进电机带动滚珠丝杠升降台上升一个单位长度的位移L，滚珠丝杠升降台的运动带动移动轭6向减小气隙5长度方向移动L长度；信号综合分析控制器发送完脉冲信号之后，微力传感器检测移动轭6所受的实时微力值F₂，检测到的模拟信号经信号放大器放大后，由模数转换器转换成数字信号并传送给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器比较实时微力值F₂与预设微力值F₁的大小：若|F₁-F₂|≤ε（ε为允许误差值），信号综合分析控制器发送信号给计算机，提示任务完成；否则，继续执行步骤4。

方法二、电压调节法：

图4所示为本发明给出的电压调节法的流程图，电压调节法也采用闭环反馈调节，通过检测磁路中拾磁环产生的感应电流构成反馈回路，其具体步骤如下：

1）给定预设微力值F₁，将所需的微力值F₁输入到计算机内作为参照值储存；

2）调节初始气隙5长度，为压电陶瓷薄片进行微力调节提供辅助微力N：

首先计算机根据预设微力值F₁计算所需要的辅助微力值：N=F₁-F'+δ，其中F'为压电陶瓷薄片所能调节的微力极限值，δ为压电陶瓷薄片的工作余量值，将δ加入辅助微力值可避免压电陶瓷薄片工作到极限状态；然后计算机发出运行指令给信号综合分析控制器，信号综合分析控制器根据计算机发出的指令，产生脉冲信号给步进电机驱动器，控制步进电机带动滚珠丝杠升降台移动，从而使气隙5长度发生改变，在此过程中，微力传感器实时监测移动轭6所受微力值的变化，当实时微力值F₂满足|F₂-N|≤ε（ε为允许误差值）时，固定气隙5长度。

3）调节微动力装置上作用给压电陶瓷薄片的驱动电压值V，直到实时微力值F₂满足：|F₁-F₂|≤ε时停止：

计算机发出一条指令，该指令经光电耦合器、信号发生器、功率放大器、数模转换器送入驱动电源后，由驱动电源产生相应的驱动电压，驱动电压使压电陶瓷薄片产生应变，并带动超磁致伸缩薄片1产生相应的应变（超磁致伸缩薄片1产生应变的方向为使其内部磁通量减小的方向），进而使磁路Ⅰ中磁通量减小，由于磁通具有连续性，所以磁路Ⅱ中磁通量相应增大，移动轭6所受微力值也跟着变大；执行完这一指令后，传感器所检测到的实时微力值F₂的模拟信号经信号放大器放大，并由模数转换器转换后，被信号综合分析控制器读取，信号综合分析控制器读取实时微力值信号并与预设微力值进行比较，若|F₁-F₂|≤ε，信号综合分析控制器发送信号给计算机提示任务完成，否则向计算机发送信号，提示继续执行步骤3；在该反馈调节过程中，微力值的采样检测频率很高，微力传感器可能无法检测高频状态下的实时微力值，所以采用拾磁环作为微力检测的传感器装置，拾磁环检测微力的工作过程如下：两个拾磁环分别装置在超磁致伸缩薄片1和移动轭6上，即分别对应于磁路Ⅰ和磁路Ⅱ，当两个磁路中的磁通高频变化时，拾磁环中会有感应电流产生，信号综合分析控制器读取感应电流信号，通过计算得到磁通量的变化量，进而计算得出移动轭6所受微力的大小。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的两个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.微动力的精确调节控制系统，包括微动力装置和微动力控制系统；其特征是：所述微动力装置包括超磁致伸缩薄片、永久磁铁、静轭Ⅰ和静轭Ⅱ构成的磁路Ⅰ，以及通过永久磁铁、静轭Ⅰ、静轭Ⅱ和移动轭构成的磁路Ⅱ；

所述超磁致伸缩薄片和永久磁铁相互平行，所述超磁致伸缩薄片和永久磁铁的两端分别通过静轭Ⅰ和静轭Ⅱ夹紧；所述静轭Ⅰ和静轭Ⅱ的同一端设置移动轭，所述静轭Ⅰ和移动轭之间、静轭Ⅱ和移动轭之间设置有气隙；

所述磁路Ⅰ和磁路Ⅱ上分别设置有磁力调节装置；所述磁路Ⅰ的磁力调节装置为分别设置在超磁致伸缩薄片正、反两面的压电陶瓷薄片；所述磁路Ⅱ的磁力调节装置为通过步进电机驱动的滚珠丝杠升降台；

所述微动力控制系统包括传感器组和依次通过信号连接的信号放大器、信号综合分析控制器、计算机、信号发生器、功率放大器、数模转换器以及驱动电源；

传感器组包括设置在气隙上的微位移传感器，分别设置在移动轭上的微力传感器和磁路Ⅱ拾磁线圈，分别设置在超磁致伸缩薄片上的温度传感器、应变计以及磁路Ⅰ拾磁线圈；

所述信号放大器分别与微力传感器、微位移传感器、温度传感器、应变计、磁路Ⅰ拾磁线圈以及磁路Ⅱ拾磁线圈信号连接；

所述驱动电源与压电陶瓷薄片电连接，所述信号综合分析控制器通过步进电机驱动器与步进电机相连接。

2.根据权利要求1所述的微动力的精确调节控制系统，其特征是：所述计算机和信号发生器之间设置有光电耦合器。