CN107966995A - 一种法向电磁应力驱动的角度调节平台及调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种法向电磁应力驱动的角度调节平台及调节方法,该角度调节平台包括动平台、定平台、万向柔性铰支撑、直梁型柔性铰链和四个法向电磁应力驱动器;四个驱动器固定在定平台上,并围绕万向柔性铰支撑呈对角线两两分布;驱动器上端通过导向支撑杆与连接支架相连,连接支架通过直梁型柔性铰链与动平台连接;驱动器内包括定铁芯、线圈骨架、励磁线圈、永磁铁和运动铁芯;永磁铁产生偏置磁场,给励磁线圈通电产生励磁磁场,与偏置磁场叠加产生电磁应力,共同作用到运动铁芯,使其沿竖直方向运动,对角布置的两个驱动器协同作动,推动动平台沿对角方向转动;在驱动器内部运动铁芯的下端,布置电容式位移传感器,采集运动铁芯沿竖直方向的作动位移信号;本发明能够实现指向角度的高精度偏摆控制。
Description
技术领域
本发明涉及指向角度调节控制技术领域,具体设计一种法向电磁应力驱动的角度调节平台及调节方法。
背景技术
指向角度调节机构被广泛应用于航天航空,超精密机械制造,微机电工程,光学系统等领域。传统的角度调节机构按照驱动方式的不同主要分为压电驱动和音圈电机驱动,压电驱动的特点是作动频率高,带宽范围大,但是角度调节范围小,需要位移放大机构来扩大角度调节范围,并且功耗较高;音圈电机驱动是利用通电导线切割磁场产生安培力推动偏转机构,其特点是驱动力大,角度调节范围大,但是受结构支撑刚度的限制,频带范围小,且控制电流随指向角度范围的增大而增大,线圈发热量严重,从而影响到系统的整体性能。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种法向电磁应力驱动的角度调节平台及调节方法,该机构具有较高的频带范围,较大的指向角度调节范围。
为达到以上目的,本发明采用如下技术方案:
一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,包括动平台1、定平台2、连接动平台1与定平台2的万向柔性铰支撑3,固定在定平台2上的四个法向电磁应力驱动器4,四个法向电磁应力驱动器4关于万向柔性铰支撑3两两呈对角分布;法向电磁应力驱动器4顶部安装的作动杆14与动平台1的四个连接支架5连接,连接支架5与动平台1通过直梁型柔性铰链6连接;所述在四个法向电磁应力驱动器4的内部均布置电容式位移传感器18,所述电容式位移传感器18分别通过螺栓安装在对应的法向电磁应力驱动器4内的底部,用于检测作动杆14轴向位移。
所述法向电磁应力驱动器4包括设置在驱动器外壳17内的两组相同结构的励磁装置,第一组励磁装置包括同轴心布置的第一固定铁芯6‐1、第一线圈骨架7‐1和第一励磁线圈8‐1;第一励磁线圈8‐1缠绕在第一线圈骨架7‐1上,第一线圈骨架7‐1安装在第一固定铁芯6‐1上;第二组励磁装置包括同轴心布置的第二固定铁芯6‐2、第二线圈骨架7‐2和第二励磁线圈8‐2;第一固定铁芯6‐1与第二固定铁芯6‐2分别安装在中间铁芯9的上下两侧,永磁铁10安装在中间铁芯9的中间,且永磁铁10的外环面与中间铁芯9的内环面相接触,运动铁芯11安装在永磁铁10的中间,且运动铁芯11的外环面与永磁铁10的内环面通过橡胶垫片粘结连接且运动铁芯11的上下端面分别与第一固定铁芯6‐1的内环下端面和第二固定铁芯6‐2的内环上端面间留有气隙12;法向电磁应力驱动器4的上下两组励磁装置的固定铁芯、线圈骨架、励磁线圈与中间铁芯9、永磁铁10和运动铁芯11均采用同轴心布置。
所述法向电磁应力驱动器4中传力杆13通过螺纹安装在运动铁芯11中心,传力杆13顶部安装作动杆14,组合碟簧15将传力杆13与预紧装置16连接起来,预紧装置16与驱动器外壳17通过螺纹连接。
所述外壳17、传力杆13、作动杆14、预紧装置16、连接支架5和直梁型柔性铰链6均采用硬铝合金材料。
所述组合碟簧15采用非导磁弹簧组成。
所述永磁铁10采用钕铁硼材料,沿环向内侧面为N极,外侧面为S极;所述运动铁芯11采用软磁材料。
所述法向电磁应力驱动器4底部通过螺栓固定在定平台2上,螺栓采用非导磁螺栓。
所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台的调节方法,给法向电磁应力驱动器4输入电流信号,通电的第一励磁线圈8-1和第二励磁线圈8-2会产生励磁磁场,该励磁磁场方向随电流方向变化;励磁线圈产生的励磁磁场叠加到永磁铁10产生的偏置磁场,通过第一固定铁芯6-1和第二固定铁芯6-2与运动铁芯11之间的气隙12作用到运动铁芯11上;当励磁磁场与偏置磁场的方向相同时,位于第一固定铁芯6-1和第二固定铁芯6-2之间的运动铁芯11就会受到与励磁磁场方向一致的电磁应力,并沿电磁应力方向运动,产生作动位移;该作动位移沿传力杆13输出到作动杆14,与作动杆14通过支架5相连接的动平台1会产生偏转;在法向电磁应力驱动器4内部安装的电容式位移传感器18会实时监测传力杆13的作动位移,即动平台1的偏转角度,经过反馈给法向电磁应力驱动器4的控制器,实现主动闭环控制,能够提高动平台1的偏转角度调节精度;由于法向电磁应力驱动器4产生的作动位移为微米量级,因此角度调节分辨率能够达到微弧度级;两组对角分布的法向电磁应力驱动器4同时沿相反方向作动,能够实现动平台1在水平方向的两个自由度偏转控制;组合碟簧15作为弹性支撑,能够同时实现被动振动抑制作用。
本发明和现有技术相比,具有如下优点:
1)本发明采用法向电磁应力驱动方式,相比安培力驱动方式,利用磁场叠加,使运动部件产生轴向运动,响应速度快,驱动力大,频带范围大。
2)本发明支撑机构采用直梁型柔性铰链和万向柔性铰支撑,利用材料微小形变特性,使得传动机构无摩擦,提高了角度偏摆调节精度。
3)本发明法向电磁应力驱动器的传力杆通过组合弹簧与外壳连接,为调节机构提供初始弹性刚度,可实现被动振动抑制,同时利用电容式位移传感器的位移信号,可以实现主动闭环控制,提高了系统的抗干扰性能。
附图说明
图1为本发明角度调节机构示意图。
图2为本发明法向电磁应力驱动器结构剖面图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例,对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示,本发明一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,包括动平台1,定平台2,连接动平台1和定平台2的万向柔性铰支撑3。所述动平台1通过直梁型柔性铰链6和连接支架5与四个法向电磁应力驱动器4相连接。四个法向电磁应力驱动器4通过螺栓安装在定平台2上,并且关于万向柔性铰支撑3对称,呈对角两两分布。所述法向电磁应力驱动器4通过作动杆14与连接支架5相连接。对角分布的两个法向电磁应力驱动器4沿作动杆14的轴向输出方向相反的驱动力,从而产生弯矩,使得动平台1沿另一轴线偏转一定的角度。在法向电磁应力驱动器4的内部安装有电容式位移传感器18,用于检测法向电磁应力驱动器4的作动杆14的轴向位移,从而构成位移闭环反馈控制,提高动平台1的偏转角度控制精度。
如图2所示,所述法向电磁应力驱动器4包括设置在驱动器外壳17内的两组相同结构的励磁绕组装置,其中,第一组励磁装置包括同轴心布置的第一固定铁芯6‐1、第一线圈骨架7‐1和第一励磁线圈8‐1;第一励磁线圈8‐1缠绕在第一线圈骨架7‐1上,第一线圈骨架7‐1安装在第一固定铁芯6‐1上;第二组励磁装置包括同轴心布置的第二固定铁芯6‐2、第二线圈骨架7‐2和第二励磁线圈8‐2;第一固定铁芯6-1与第二固定铁芯6-2分别安装在中间铁芯9的上下两侧,永磁铁10安装在中间铁芯9的中间,且永磁铁10的外环面与中间铁芯9的内环面相接,运动铁芯11安装在永磁铁10的中间,且运动铁芯11的外环面与永磁铁10的内环面通过橡胶材料粘贴连接。运动铁芯11的上下端面分别与第一固定铁芯6-1的内环下端面和固定铁芯6-2的内环上端面分别构成气隙12。永磁铁10用于产生偏置磁场,与第一固定铁芯6-1、第二固定铁芯6-2、中间铁芯9、永磁铁10、运动铁芯11和气隙12组成偏置磁场回路,励磁绕组线圈8用于产生励磁磁场,与第一固定铁芯6-1、第二固定铁芯6-2、中间铁芯9、永磁铁10、运动铁芯11和气隙12组成励磁磁场回路。给第一励磁线圈8-1和第二励磁线圈8-2输入电流信号,第一励磁线圈8-1和第二励磁线圈8-2会产生励磁磁场,该励磁磁场叠加到永磁铁10产生的偏置磁场上,产生沿气隙12法向方向的作动力,即法向电磁应力。改变励磁绕组线圈8中电流的方向,该作动力也随之改变方向,与运动铁芯11相连接的传力杆13会沿轴向上下运动,该运动会传递到作动杆14,从而推动动平台1沿对角方向转动。
作为本发明的优选实施方式,永磁铁10可采用钕铁硼材料,沿环向内侧面为N极,外侧面为S极。运动铁芯11可采用软磁材料。
作为本发明的优选实施方式,所述法向电磁应力驱动器4的固定铁芯、中间铁芯9、永磁铁10、运动铁芯11、线圈骨架、和励磁线圈均采用同轴心布置。
作为本发明的优选实施方式,所述驱动器外壳17,传力杆13、作动杆14、预紧装置16、连接支架5和直梁型柔性铰链6均采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式,螺栓采用非导磁螺栓。
本发明的工作原理为:给法向电磁应力驱动器4输入电流信号,通电的第一励磁线圈8-1和第二励磁线圈8-2会产生励磁磁场,该励磁磁场方向随电流方向变化;励磁线圈产生的励磁磁场叠加到永磁铁10产生的偏置磁场,通过第一固定铁芯6-1和第二固定铁芯6-2与运动铁芯11之间的气隙12作用到运动铁芯11上;当励磁磁场与偏置磁场的方向相同时,位于第一固定铁芯6-1和第二固定铁芯6-2之间的运动铁芯11就会受到与励磁磁场方向一致的电磁应力,并沿电磁应力方向运动,产生作动位移;该作动位移沿传力杆13输出到作动杆14,与作动杆14通过支架5相连接的动平台1会产生偏转;在法向电磁应力驱动器4内部安装的电容式位移传感器18会实时监测传力杆13的作动位移,即动平台1的偏转角度,经过反馈给法向电磁应力驱动器4的控制器,实现主动闭环控制,能够提高动平台1的偏转角度调节精度;由于法向电磁应力驱动器4产生的作动位移为微米量级,因此本发明的角度调节分辨率能够达到微弧度级;两组对角分布的法向电磁应力驱动器4同时沿相反方向作动,能够实现动平台1在水平方向的两个自由度偏转控制;组合碟簧15作为弹性支撑,能够同时实现被动振动抑制作用。
Claims (8)
1.一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:包括动平台(1)、定平台(2)、连接动平台(1)与定平台(2)的万向柔性铰支撑(3),固定在定平台(2)上的四个法向电磁应力驱动器(4),四个法向电磁应力驱动器(4)关于万向柔性铰支撑(3)两两呈对角分布;法向电磁应力驱动器(4)顶部安装的作动杆(14)与动平台(1)的四个连接支架(5)连接,连接支架(5)与动平台(1)通过直梁型柔性铰链(6)连接;所述在四个法向电磁应力驱动器(4)的内部均布置电容式位移传感器(18),所述电容式位移传感器(18)分别通过螺栓安装在对应的法向电磁应力驱动器(4)内的底部,用于检测作动杆(14)轴向位移。
2.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述法向电磁应力驱动器(4)包括设置在驱动器外壳(17)内的两组相同结构的励磁装置,第一组励磁装置包括同轴心布置的第一固定铁芯(6-1)、第一线圈骨架(7-1)和第一励磁线圈(8-1);第一励磁线圈(8-1)缠绕在第一线圈骨架(7-1)上,第一线圈骨架(7-1)安装在第一固定铁芯(6-1)上;第二组励磁装置包括同轴心布置的第二固定铁芯(6-2)、第二线圈骨架(7-2)和第二励磁线圈(8-2);第一固定铁芯(6-1)与第二固定铁芯(6-2)分别安装在中间铁芯(9)的上下两侧,永磁铁(10)安装在中间铁芯(9)的中间,且永磁铁(10)的外环面与中间铁芯(9)的内环面相接触,运动铁芯(11)安装在永磁铁(10)的中间,且运动铁芯(11)的外环面与永磁铁(10)的内环面通过橡胶垫片粘结连接且运动铁芯(11)的上下端面分别与第一固定铁芯(6-1)的内环下端面和第二固定铁芯(6-2)的内环上端面间留有气隙(12);法向电磁应力驱动器(4)的上下两组励磁装置的固定铁芯、线圈骨架、励磁线圈与中间铁芯(9)、永磁铁(10)和运动铁芯(11)均采用同轴心布置。
3.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述法向电磁应力驱动器(4)中传力杆(13)通过螺纹安装在运动铁芯(11)中心,传力杆(13)顶部安装作动杆(14),组合碟簧(15)将传力杆(13)与预紧装置(16)连接起来,预紧装置(16)与驱动器外壳(17)通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述外壳(17)、传力杆(13)、作动杆(14)、预紧装置(16)、连接支架(5)和直梁型柔性铰链(6)均采用硬铝合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述组合碟簧(15)采用非导磁弹簧组成。
6.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述永磁铁(10)采用钕铁硼材料,沿环向内侧面为N极,外侧面为S极;所述运动铁芯(11)采用软磁材料。
7.根据权利要求1所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台,其特征在于:所述法向电磁应力驱动器(4)底部通过螺栓固定在定平台(2)上,螺栓采用非导磁螺栓。
8.权利要求1至7任一项所述的一种法向电磁应力驱动的角度调节平台的调节方法,其特征在于:给法向电磁应力驱动器(4)输入电流信号,通电的第一励磁线圈(8-1)和第二励磁线圈(8-2)会产生励磁磁场,该励磁磁场方向随电流方向变化;励磁线圈产生的励磁磁场叠加到永磁铁(10)产生的偏置磁场,通过第一固定铁芯(6-1)和第二固定铁芯(6-2)与运动铁芯(11)之间的气隙(12)作用到运动铁芯(11)上;当励磁磁场与偏置磁场的方向相同时,位于第一固定铁芯(6-1)和第二固定铁芯(6-2)之间的运动铁芯(11)就会受到与励磁磁场方向一致的电磁应力,并沿电磁应力方向运动,产生作动位移;该作动位移沿传力杆(13)输出到作动杆(14),与作动杆(14)通过支架(5)相连接的动平台(1)会产生偏转;在法向电磁应力驱动器(4)内部安装的电容式位移传感器(18)会实时监测传力杆(13)的作动位移,即动平台(1)的偏转角度,经过反馈给法向电磁应力驱动器(4)的控制器,实现主动闭环控制,能够提高动平台(1)的偏转角度调节精度;由于法向电磁应力驱动器(4)产生的作动位移为微米量级,因此角度调节分辨率能够达到微弧度级;两组对角分布的法向电磁应力驱动器(4)同时沿相反方向作动,能够实现动平台(1)在水平方向的两个自由度偏转控制;组合碟簧(15)作为弹性支撑,能够同时实现被动振动抑制作用。
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