CN105765674A - 电动线性促动器 - Google Patents

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CN105765674A CN201480050072.5A CN201480050072A CN105765674A CN 105765674 A CN105765674 A CN 105765674A CN 201480050072 A CN201480050072 A CN 201480050072A CN 105765674 A CN105765674 A CN 105765674A
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Abstract

一种电动线性促动器，其包括一直线列的极向电线圈；所有电线圈的中央通孔轴向对齐，从而界定直线列的中央开孔；还包括容置于直线列的中央开孔中并且可以沿中央开孔轴向移动的轴；还包括磁铁，其以互相隔开形成区间的形式沿轴内设置；还包括电源，其把电力供给直线列的每一个电线圈；还包括位置传感器，其用于确定轴沿中央开孔的轴向位置；还包括控制处理器，其接收从位置传感器发出有关轴沿中央开孔的位置数据，控制电源输出至直线列中每个电线圈的电力。控制处理器可选择地激活不同的电线圈，通过电磁引力或排斥力，从而把不同的力施加至轴。

Description

电动线性促动器
技术领域
本发明涉及电动促动器，其用于满足模拟飞行领域的需求。其它使用到线性促动器或其它触控反馈装置的领域，也可以使用此电动线性促动器。
背景技术
现有的电动线性促动器有两种不同方法，把促动力施加于要促动的媒介物：通过使用电动马达，或者通过使用音圈和一块大的永磁体。前一种施加促动力的方法依赖有限极(poll)马达和要促动的媒介物之间的机械连接，后一种方法涉及大块和昂贵的永磁体，而且限制了移动幅度。市场需要一种不必依赖物理连接，而且不受传统音圈技术所限制的电动线性力促动技术。此技术可以满足多个领域持续增长的需求，包括但不限于：航天领域(遥距操纵的飞行器)、重型机械的模拟操控、军车模拟器、航海和遥距操纵的船舰潜艇、自动和自驾汽车、工业领域的操控和机械人等等方面的应用。综合来说，只要涉及某生物(尤其是人类)和某科技之间的界面，其相关的应用都可以基于下述原因从本发明技术中获益。
商用和家用模拟飞行是其中一个需要改善线性促动的领域。模拟在真正的飞行器上可以感受到的力，是机师在模拟器中接受的其中一种训练，也是飞行发烧友和一些资格证代理所追求的真实感。现有技术的价格和精密程度各有不同。低端产品除了机械置中弹簧外，便没有其它部分可以提供反馈，而且机械置中弹簧是不会因应不同的模拟状况例如不同的风速或调整片设定而相应变化。中端产品的电动操纵杆促动技术依赖电动马达机械地连接操纵杆。高端的专门系统使用音圈促动技术，但对于小至中型的训练场和家用使用者来说太昂贵。
促动器和所要促动的媒介物之间的机械连接主要有两个问题：媒介物感觉的逼真度和可靠性，以及长时间使用后需要维修。当媒介物，例如是模拟飞行器的操纵杆，物理地与促动器连接，所有施加到操纵杆的力都必须施加于促动器和两者之间的连杆结构。当促动器是电动马达(仅为例子)时，装置向前推和向后拉需要电动马达翻转操作，而且，连杆的摩擦力也会被感受得到。这些干扰令触感变差。而且，机械连杆也需要定期维修，有时更需要更换。
高端专门的飞行模拟控制器通过使用音圈促动技术解决上述问题，此技术不再需要物理连接，从而消除触感差和可靠度低的缺点，可是此技术需要一块够大的磁铁围住操纵杆，因此构成重量和成本问题。此等装置的移动幅度受制于磁铁的大小。Cessna172型小型飞机的操纵杆的移动幅度大约是1纵尺，但现有模拟器操作装置的移动幅度却只界乎6至9寸。此等装置的占用空间也是另一个限制其家用和小规模使用价值的因素。
鉴于现有技术的不足(触感、移动幅度、成本和可靠性等等)，市场仍然需要一种能消除上述缺点的线性促动技术。
本发明以模拟飞行为例，但必须理解，在不同领域中，本发明这种非接触式、简单、紧密和符合成本效益地在媒介物上施加促动力的方法，能产生巨大的效益。
发明内容
下述的线性促动器可用于飞行模拟器，以至用于其它涉及例如工业闸门马达、工业触感反馈控制系统和工业起重(例如千斤顶)的领域。
本发明的电动线性促动器包括一直线列的电线圈。每一个电线圈都具有一中央通孔。所有电线圈的中央通孔均轴向对齐，以界定直线列的中央开孔。直线列的中央开孔中容纳一同轴设置的轴。轴可沿中央开孔轴向移动。磁铁以互相隔开形成区间的形式并且相应于电线圈的总长度沿轴内设置。电源把电力供给直线列上每一个磁圈。位置传感器用于确定轴沿中央开孔的相对和绝对轴向位置。控制处理器接收从位置传感器发出有关轴沿中央开孔的位置数据，控制电源输出至直线列中每个电线圈的电力。控制处理器可选择地激活不同的电线圈，通过电线圈与轴中的磁铁之间的磁力互动造成的电磁引力或排斥力，从而把不同的力施加至轴。
所述电动线性促动器不会接触其促动的媒介物。在本说明书中，媒介物是指管状的轴。
所述电动线性促动器的结构相对简单，不容易发生故障，也不需要经常维修。
需要旋转促动时，旋转组件可把轴接合至旋转马达，通过旋转组件可选地把旋转运动或旋转力施加至轴。
在飞行模拟器的实施例中，轴的一端设有驾驶操纵杆。握着驾驶操纵杆时，使用者可以轴向移动或旋转轴。控制处理器因应模拟环境中的变项因素和轴的位置，通过可选地激活旋转马达和可选地激活电线圈，从而对轴向移动或旋转的轴施加阻力。
附图说明
本发明上述以至其它特征可通过下述参考附图的说明更清晰地描述出来。附图仅为示例，并不对本发明构成任何限制，其中：
图1是线性促动器的立体图。
图2是图1的线性促动器的操纵杆和系杆的立体图。
图3是图2所示的系杆的详细纵向截面图。
图4是图1的线性促动器中磁圈的立体图。
图5是图1的线性促动器的上立体图。
图6是图1的线性促动器中锁环的详细立体图，其中示出表示锁环转动方向的箭头。
图7是图1的线性促动器中后轴承的详细立体图。
具体实施方式
现参考图1至图7描述大体上以标号10标示的电动线性促动器。
图1示出的电动线性促动器10有一直线列12的极向电线圈14。根据图4，多个电线圈14分别以标号14a、14b、14c、14d和14e标示。每一个电线圈均具有一中央通孔(图中未示)。根据图6所示，所述直线列12的电线圈14的中央通孔同轴对齐，从而界定直线列12的中央开孔16。直线列12的中央开孔16中设置了轴18。轴18可沿中央开孔16轴向移动，轴向移动在图中以双箭头20标示。根据图3，轴18内设有多块磁铁22，磁铁22之间互相隔开形成区间。磁铁22可根据用途设置为永磁体或电磁体。在本发明下述的应用例子中，磁铁22是永磁体。根据图1所示，电源24为直线列12中每一个电线圈14供电。根据图4和图6，位置传感器26用于确定轴18沿中央开孔16的相对轴向位置。图中示出的是光学传感器，但也可以使用其它替代的传感技术。本发明还设有控制处理器28，控制处理器28接收从位置传感器26发出有关轴18沿中央开孔16的位置数据，控制电源24输出至直线列12中每个电线圈14的电力。控制处理器28可选择地激活不同的电线圈14，通过直线列12中的电线圈14与轴18中的磁铁18之间的磁力互动造成的电磁引力或排斥力，从而把不同的力施加至轴18。优选地，处理控制器28可以使不同电线圈14功率不相同，使不同电线圈14接收到的电力都不一样。这样可以使控制处理器能够因应轴需要的力以及其绝对位置，为不同的线圈提供各自独立不同的电压。根据图5，前轴支撑件30和后轴支撑件32用于作为轴18的支撑。前轴支撑件30设有前轴承34，用于减少摩擦和促进轴18的移动。后轴支撑件34同样也设有后轴承36。
图1所示的实施例是模拟飞行器的控制器。在很多不同的实施例中，轴向移动已经足够，但在此控制器的实施例中，优选地也包含旋转移动。根据图6，大体上以标号38标示的旋转组件与轴18和旋转马达40接合，旋转马达40可选地通过旋转组件38向轴18施加旋转运动。旋转马达40由控制处理器28控制。旋转组件38包括一锁环42。锁环42的作用是仅允许线性运动，但不允许旋转运动。锁环42采取滑轮的形式。通过从旋转马达40延伸至锁环42的传动皮带44，旋转运动通过锁环42传至轴18。必须理解的是，其它传动技术例如具有离合器的齿轮、直接传动或传动链也可以用来替代所述的传动皮带。
根据图1，驾驶操纵杆46设置在轴18的远端48。握着操纵杆46时，使用者便可轴向地移动或旋转轴18。控制处理器28通过可选地激活旋转马达40和可选地激活直线列12的电线圈14，从而对这些轴向和旋转动作施加不同的阻力。为此，控制处理器28具有内在逻辑，操纵控制处理器28何时要激活旋转马达40，何时要激活直线列12的电线圈14。图2示出了所述的操纵杆46以及轴18。
根据图4和图7，冷却孔56让空气流经电动线性促动器10。图中所示的冷却孔56在前轴支撑件30和后轴支撑件32上。
结构和部件之间的关系
现参照附图，其中图1示出本发明整体的系统结构和主要的子组件，子组件包括：操纵杆46、轴18、磁圈14、电源24、处理器28和旋转组件38。系统启动后，操纵杆46向前或向后或旋转的移动会相应使轴18移动，轴会被处理器28监察和被处理器28施加作用力。轴18在磁圈子组件(见图4)中移动。磁圈子组件与处理器28连接，从而被激活磁场(被供电)和被控制(通过脉冲宽度调制)。
图2示出操纵杆子组件，其包括手持单元和一套按钮和开关。轴通过可快速分离的夹持机构连接至操纵杆。必须理解的是，轴和操纵杆之间也可以采用其它方法连接。
图3更详细地示出轴子组件。从图3可见，轴18的长度是629mm，外径是1.05英时，内径是0.824英时。图3也示出相互之间形成区间的极向(环形)磁铁22和不含铁的所述轴(铝制)中的区间物。环形磁铁22直径0.75英时，厚0.25英时，以3英时区间分布在轴中，相互之间以乙缩醛共聚物制成的绝缘区间物彼此分隔。每一块环形磁铁22都有一内通孔，直径0.25英时，用于走线。轴沿其顶表面设有小直槽(见图3标号64)，小直槽从操纵杆一端一直延伸至轴一半的长度。小直槽配合锁环设置(见图5和6)；锁环用于限制轴的角移动，并且协助轴通过传动皮带上的无刷马达旋转运动，并且容许设置一用于感应轴移动的传感器(后置)。
图4示出磁圈子组件。图5标号12示出5个独立绕线的磁圈，各自采用22AWG铜磁线(每个磁圈各800转)，其磁感应强度为0.098特斯拉(Tesla)，驱动电压为12v。每个磁圈外径为2英时，内径为1.5英时，宽度为2英时，并且包括一内置的温度传感器。由于轴的外径是1.05英时，磁圈具有气隙使系杆能轻松移动-正如图4标号56所示。图4标号26示出安装光学(位置)传感器的槽。如前所述，每个磁圈均内置了一温度传感器。这些磁圈每个均通过多个渠道与处理器子组件和电源子组件产生界面连接，这些渠道包括但不限于极性、脉冲宽度调制(PWM)和温度等。(处理器中的)模拟飞行综合程式控制和指挥磁圈，从而于磁圈上，继而在轴/操纵杆/使用者上，产生与模拟环境相应的所需运动和触感。每个磁圈的能量开/关/开有多种不同的模式，使轴以特定方向和力量移动。若轴被施加较大力量，原因可以包括每个磁圈产生较高的功率，同时有多个磁圈被激活以及因为磁圈特定的驱动模式。必须理解的是，直线列中的磁圈数量和每个磁圈的尺寸可以有所不同，而且这些不同会影响轴中多个永磁或电磁体之间的区间。
图5示出操纵杆、轴和磁圈子组件组合在一起的状态，此外也示出在前端(与操纵杆最近)安装的锁环。锁环由特氟龙(Teflon)制成，并且固定至系杆。锁环允许线性运动但不允许旋转运动。要实现旋转运动，必须如图6所示通过传动皮带把锁环连接至无刷马达(也可以使用环式马达，但对于消费品而言太昂贵)。
图7示出磁圈的后方，其中设有后轴承，后轴承由特氟龙(Teflon)制成，并且设有一光学传感器嵌于环中的槽内。此光学传感器感应系杆的X轴运动和位置。必须理解的是，其它方法例如滑动电位计或雷射距离传感技术也可以用于确定系杆的位置。
装置的冷却效果通过单一的风扇使空气吹经锁环、磁圈和后轴承子组件的一系列通孔来实现。此外，也可以使用其它替代的冷却方法，例如液体冷却。
处理器子组件包括两个主要的组分，即单板电脑(SBC)和电源处理单元(PPU)。SBC是可互换的现货产品(例如树莓派(RaspberryPi))。SBC执行一套完备的操作系统，在此实施例是Raspbian操作系统(即开放源代码的LinuxDebain计画的Raspberry接口)，其具有不同功能(以太网(Ethernet)、GPIO、USB和至少一I2C上行线)。SBC的主要作用是与外部模拟软件、PPU和操纵杆内的传感器进行界面连接，然后执行一切所需的施力计算和信息交叉互馈。此外，SBC通过传输控制协议(TCP)/网际协议(IP)提取模拟飞行的相关变项数据，例如风速、飞行姿态、高度、风力、航向、经纬度、载重/平衡、航机构造、机型等等。SBC把这些变项数据综合于持续更新的施力模型。通过TCP/IP或USB连接实现与外部模拟软件的通信功能用于发送最新的俯仰/横滚(pitch/roll)和按钮信息，以及接收模拟器的模拟环境数据。SBC的其它作用包括例如网路服务器托管，其中网路服务器用于通过网路界面改变配置。
PPU包括定制的印刷电路版(PCB)，其包括一专用的微控制器(现时为ARMCortexM432位RISC)和多道电源处理线路。每个磁圈设有一H桥驱动器，而无刷直流电马达的每一极(poll)都有一驱动器。必须理解的是，每一磁圈可以包括单一连续的线圈，或者多个线圈组件。就后者来说，多个线圈组件可以由共同的驱动器电路(一个H桥)驱动，或者由独立的电路驱动(每一线圈组件一个H桥)。PPU通过I2C链路协议(或者另一些装置间的通信协议，例如SPI或CAN)接收SBC的施力指令。这些指令包括每一磁圈线道和每一电动马达线道的操作指示。视乎操纵杆的位置和SBC的施力模型以及查找表格产生的值，特定的磁圈会在-100％至0％至+100％之间被激活，这样可调节每一个磁圈的磁场，把力施加于轴上(通过轴中附设的极向磁铁与磁圈之间的互动)。由此便可产生独立的移动或阻力(根据模拟飞行所需)。PPU也监察线圈温度和其它相关的安全变项参数。
其它变化
上述本发明独特的飞行模拟器操纵杆系统也包括数个新颖的延伸实施方式。
延伸实施方式1：通过SBC的网路界面，本发明还可以用于更新软件/固件，并且可以让使用者上载定制指示(查找表格的修正等等)于其上。
延伸实施方式2：SBC附加地设有两个USB插孔，远程安装于操纵杆手握单元(一个插孔在内，另一个在外)。在外的插孔连接一功率提升器，即使连接高安培数的装置(例如平板电脑)时也能够完全供电。另一在内的插孔可以连接一装置，其可把低功率“模拟”GPS数据播送至一外在装置(商用航空GPS单元、平板电脑运行的飞机航行软件等等)。在普通航空的领域中，安装操纵杆的航行单元具有很大的市场。上述系统旨在让使用者能够采用真正的航行软件/硬件练习，并且在虚拟环境下“飞行”。
本发明的线性促动器可以应用于以下领域：医疗装置和工业自动化操作/控制、闸门马达、起重千斤顶和自动提升装置等等，而且这些应用领域需要精准的位置和力度，并且具有高的平均故障间隔时间(MTBF)。此外，所述线性促动器也可以应用于：钻孔装置、减震装置、工业及制造机械、天线延伸、锁定销和电脑数控(CNC)/线性促动器。
本发明优点
相比现有采用机械连接实现促动的模拟器，本发明的线性促动器是首个装置为使用者提供流畅的操作体验。促动器的非接触特性确保在不施力时没有其它因素干扰促动器的正常运动。
板载(on-board)的力处理以及多个综合控制器只会造成非常小的控制回路延时问题，从而能够对模拟器事件作出甚佳的反应时间。此外，本地逻辑能侦测到通信滞后和避免异常活动。
本发明的线性促动器装置最大的促动控制距离(一般称为投射行程(throw))只会受轴的长度和轴中附设的磁铁数量所限制。这是对音圈马达设计的一个重大改进。
高解像的传感器(每时9800点)使位置、速率和加速率计算非常准确。
内置的微处理器提供基于网路的存取控制，从而可以方便地更改配置和进行定制的配置设定，也可以让使用者分享个人定制的飞机翼型和其它设定，此外，也能实现自动的固件和设定更新。配置数据储存至非易失性的地域性记忆体，使其在没电或与模拟器电脑终断连接时仍然可以继续存在。
内含的力处理能减低模拟环境的拟定迟缓率和通信协议滞后的影响。它可以减少主模拟器电脑的处理压力，并且不需添置额外的外部电脑。此外，本地力处理能真实地模拟配平功能，但模拟器环境和相关的插件无法或只能很勉强地真实地模拟配平功能。此外，板载的力处理其实不再需要所述插件和任何其它现有的力反馈控制装置所需要的第三方软件。
相比现有的力促动技术，本发明的简单设计和简单的所需部件大幅度减低发明的复杂性。促动器非接触的特性也令生产和维修成本下降。外部的磁圈和轴中的磁铁之间并没有任何物理连接。
使用开放源码的软件控制内含的处理程序，从而获得的定制化，是现有力反馈模拟器控制技术现时无法做到的。
本发明的线性促动器是低成本、高解像、高MTBF和可以实施多种不同力度的线性促动器。本发明技术可轻易配合需要高解像和产生多种不同线性力的情况使用，可以应用的领域包括：遥距操控的飞行器、重型设备模拟器和控制器、军车模拟器、遥距操控的海陆车船或潜艇、自动和自驾汽车、工业控制器、机械人、医疗设备和工业自动化设备等等。本发明设计可轻易适用于恶劣的环境，因为在恶劣环境下，过早出现的装置故障，例如在石油化工和非大气应用中到的，会造成较大损失。
可在未来应用的例子包括在操纵杆组件中使用GPS播送(传送)子系统，用于在现有的制图应用程式中融入模拟飞行功能。现有基于PC的飞行模拟器和操纵杆未能实现此实施例。
本发明独特之处在于在操纵杆和内含的系统(模拟器)处理程序之间使用CanBus、UDP和TCP/IP协议。
以下描述性字词在本说明书中应当作同义词来理解：“力反馈”(主要在游戏领域使用)、“操纵负荷”(主要在商业航空模拟器领域使用)和“触感反馈”(主要在电脑/人类科学领域使用)。“极向”线圈是环状的，但磁场方向与环形线圈(也是环状)并不相同。环形线圈的磁场线通常绕着环状外周边“流动”。极向线圈的磁场线通常由环状的前方“流动”至后方。为了获得最佳效果，应使用极向线圈。
在本说明书中，词语“包括”以非限制性的方式使用，即包含“包括”之后所述的物件，但不排除包含其它没有具体提及的物件。“一”元件的意思不排除包括一个以上的元件，除非内文清晰指出只包含此一和唯一的元件。
本发明权利要求的范围不限于在此作在为例子描述的实施例。权利要求的范围应参照整份说明书，并且与权利要求具有目的性的表述相一致地以最广义的方式理解。

Claims (14)

1.一种电动线性促动器，其特征在于：其包括：
一直线列的极向电线圈；每个电线圈具有一中央通孔；所有电线圈的中央通孔轴向对齐，从而界定直线列的中央开孔；
容置于直线列的中央开孔中的轴；轴可沿中央开孔轴向移动；磁铁以互相隔开形成区间的形式沿轴内设置；
电源；其把电力供给直线列的每一个电线圈；
位置传感器；其用于确定轴沿中央开孔的轴向位置；
控制处理器；其接收从位置传感器发出有关轴沿中央开孔的位置数据，控制电源输出至直线列中每个电线圈的电力；控制处理器可选择地激活不同的电线圈，通过电线圈与轴中的磁铁之间的磁力互动造成的电磁引力或排斥力，从而把不同的力施加至轴。
2.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述磁铁是永磁铁或电磁铁。
3.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述所有电线圈形成为一个主线圈。
4.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述所有电线圈由多个独立的线圈组成。
5.如权利要求3所述的电动线性促动器，其特征在于：每个电线圈由一共同的驱动器电路驱动；所述驱动器电路驱动主线圈中所有电线圈。
6.如权利要求3所述的电动线性促动器，其特征在于：主线圈中每一个电线圈各自有一独立的驱动器。
7.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述控制处理器可以使不同电线圈功率不相同，使不同电线圈接收到的电力都不一样。
8.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述轴由轴承支撑。
9.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：所述控制处理器计算输出轴位置和输出力度，以至可以检测到施加于轴的力度。
10.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：设有接合所述轴的旋转组件，以及一旋转马达；旋转马达通过旋转组件可选地把旋转运动或旋转力施加到所述轴上；所述旋转马达由所述控制处理器控制。
11.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：设有至少一个位置传感器，其直接或间接地检测所述轴的角位置。
12.如权利要求1所述的电动线性促动器，其特征在于：操纵杆、手柄、联动接件或其它操作器安装于所述轴的远端；手握操作器时，使用者可轴向移动所述轴，而所述控制处理器会向所述轴的轴向移动施加不同阻力。
13.如权利要求12所述的电动线性促动器，其特征在于：所述不同阻力被控制为通过轴的位置、施加力度、震动或其它电子信息手段把物理信息传送给操作员或其它机器。
14.如权利要求12所述的电动线性促动器，其特征在于：电线或电缆轴向地设置于所述轴的中央开孔中；所述电线或电缆在所述操纵杆、手柄、联动接件或其它操作器和所述控制处理器之间传送电力和电子讯号。
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