CN110739808B - 一种便于集成的微型电磁致动器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种便于集成的微型电磁致动器及其驱动方法。本发明公开了一种三自由度的微型电磁数字致动器及其驱动方法，包括控制板卡，控制板卡通过导线连接有功率放大器，功率放大器通过导线连接线圈电路板及直线电路板，线圈电路板上面固接玻璃板一，玻璃板一上面固接直线电路板，直线电路板上端固接玻璃板二，玻璃板二上端固接致动器；致动器包括支撑框架，固定嵌装在支撑框架四角处的固定永磁铁，活动嵌装在支撑框架凹槽内的被驱动永磁铁外部PMMA壳体，被驱动永磁铁外部PMMA壳体内部活动放置有被驱动永磁铁；控制板卡为单片机或数字信号输出卡；功率放大器为电压电流转换器或可控硅。本发明结构简单、开环控制，成本低，结构紧凑，被驱动永磁铁具有x、y、z三个方向的自由度。

Description

一种便于集成的微型电磁致动器及其驱动方法

技术领域

本发明属于微型机械致动器技术领域，涉及一种便于集成的微型电磁致动器，还涉及该微型电磁致动器的驱动方法。

背景技术

在现有技术的微机电系统中，致动器是一种将输入能量转化为机械输出的装置。最常见的致动器就是基于模拟控制的致动器，它们的运动单元可以到达工作行程内的任意位置。这类致动器一般有如下优点，能够在工作范围内连续控制，高性能，高可靠性等。为了获得这些优点，闭环控制和相应的反馈传感器都被应用在了这类型致动器上。然而，由于闭环控制以及相应的反馈传感器的应用，其控制也会相应的复杂化，以确保其高性能水平或完成复杂任务的能力。反馈传感器的安装集成有可能也会为此类致动器设计带来问题，尤其是当这类致动器被应用于紧凑的或者高度集成化的微机电系统中时,安装空间的限制就会体现出来。另外，要使运动单元保持在被要求的位置，同时抵抗外界的干扰，持续的能量输入也是必不可少的。这也将给此类系统带来焦耳热效应的影响或者系统故障。

为了解决这些由于设计原理带来的缺陷，另一种基于数字控制的致动器被开发了出来。此类基于数字控制的致动器，其运动单元能够在确定的、有限的分离位置(称为稳态位置)之间被驱动。另外，这些分离位置是在加工过程中确定的。而分离位置中间的位置为过渡暂态位置，在通常情况下是不能被保持的。基于其数字驱动设计原理，此类致动器，具有如下优点：首先，开环控制。此类致动器将采用开环控制，反馈传感器将不在必要。其次，控制信号简单。通常情况下只需要能量脉冲输入就可以完成运动单元的驱动。另外，低能耗。此类致动器采用数字控制，能量输入仅仅用来驱动运动单元运动，保持运动部分在分离位置不需要任何能量输入。目前，大多的微型机械致动器普遍存在以下两个问题：

1.仅有一到两个运动自由度，导致应用场景局限；

2.结构复杂，不够紧凑，不便于集成扩展。

以上两种问题制约着微型机械致动器的研究发展及其工业应用，采用数字控制方式设计具有多自由度的微型机械致动器意义深远。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于集成的微型电磁致动器，解决了现有技术中存在的仅有一到两个运动自由度，结构复杂，不便于集成扩展的问题。

本发明的另一目的是提供上述微型电磁致动器的驱动方法，解决了现有技术中存在的仅有一到两个运动自由度，结构复杂，不便于集成扩展的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种三自由度的微型电磁数字致动器，包括控制板卡，控制板卡通过导线连接有功率放大器，功率放大器通过导线连接有线圈电路板及直线电路板，线圈电路板上面固接玻璃板一，玻璃板一上面固接直线电路板，直线电路板上端固接玻璃板二，玻璃板二上端固接致动器；致动器包括支撑框架，固定嵌装在支撑框架四角处的固定永磁铁，活动嵌装在支撑框架凹槽内的被驱动永磁铁外部PMMA壳体，被驱动永磁铁外部PMMA壳体内部活动放置有磁化方向与固定永磁铁相反的被驱动永磁铁；控制板卡为单片机或数字信号输出卡；功率放大器为电压电流转换器或可控硅。

本发明的特点还在于：

线圈电路板为印制的电磁线圈电路板，线圈电路板上的铜线圈中心位置与被驱动永磁铁的位置对应设置。

直线电路板为双面印制的直线电路板，直线电路板上的铜线正反正交垂直布置，正反正交的铜线的中心位置与被驱动永磁铁的位置对应设置。

玻璃板一和玻璃板二的厚度为0.5mm。

被驱动永磁铁和固定永磁铁均为圆柱形磁铁或立方体磁铁。

当被驱动永磁铁或固定永磁铁为圆柱形磁铁时，圆柱形磁铁的直径为4-20mm，高度为4-8mm；当被驱动永磁铁或固定永磁铁为立方体磁铁时，立方体磁铁的边长为4-20mm。

致动器的支撑框架上的凹槽为凸字型凹槽，被驱动永磁铁外部PMMA壳体与凸字型凹槽的侧面、上下面之间均有间距。

本发明所采用的另一技术方案是，一种便于集成的微型电磁致动器的驱动方法，具体步骤如下：

步骤1.对线圈电路板中的电磁线圈相应移动方向施加电流并保持，其产生的磁悬浮力举升被驱动永磁铁及被驱动永磁铁外部PMMA壳体，且使被驱动永磁铁外部PMMA壳体与致动器的支撑框架上的凸字型凹槽下表面接触，从而保证z方向静定，完成致动器沿z方向的上升运动；

步骤2.对直线电路板相应移动方向的导线施加电流脉冲，使被驱动永磁铁及被驱动永磁铁外部PMMA壳体产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器沿x或y方向运动；

步骤3.对线圈电路板中的电磁线圈相应移动方向施加反向电流或切断原有电流，使得被驱动永磁铁和被驱动永磁铁外部PMMA壳体回落到玻璃板二上方位置并由其支撑；

步骤4.对直线电路板相应移动方向的导线施加反向电流脉冲，使被驱动永磁铁和被驱动永磁铁外部PMMA壳体产生位移，回复到初始位置，实现致动器沿x或y方向的反向运动。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单、开环控制，基于数字控制驱动致动器只需要电流脉冲，无需安装反馈传感器，因此相比基于模拟致动器的装置其成本较低，安装结构紧凑；

(2)由于采用电流脉冲驱动，发热少，能够有效避免焦耳效应；

(3)由于采用电磁驱动的方式，致动器驱动速度快，响应快，无迟滞；

(4)致动器单元中，被驱动永磁铁与固定永磁铁呈反向磁化强度放置，从而由于永磁铁间静磁场吸引力的作用，被驱动永磁铁在框架中总保持在四角位置其中之一，这种状态不许能量维持，也被成为稳态位置，即每个致动器单元有四个稳态位置，从而确定了致动器的四种稳定状态，且保持稳定状态不需能量；

(5)被驱动永磁铁具有x、y、z三个方向的运动自由度。

附图说明

图1是本发明一种便于集成的微型电磁致动器的分解结构示意图；

图2是本发明一种便于集成的微型电磁致动器的装配图；

图3是本发明一种便于集成的微型电磁致动器的驱动过程状态图。

图中，1.控制板卡，2.功率放大器，3.线圈电路板，4.玻璃板一，5.直线电路板，6.玻璃板二，7.致动器，8.固定永磁铁，9.被驱动永磁铁外部PMMA壳体，10.被驱动永磁铁，11.PMMA壳体底部边界，12.导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器，如图1和2所示，包括控制板卡1，控制板卡1通过导线12连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线12连接有线圈电路板3及直线电路板5，线圈电路板3上面固接玻璃板一4，玻璃板一4上面固接直线电路板5，直线电路板5上端固接玻璃板二6，玻璃板二6上端固接致动器7；致动器7包括支撑框架，固定嵌装在支撑框架四角处的固定永磁铁8，活动嵌装在支撑框架凹槽内的被驱动永磁铁外部PMMA壳体9，被驱动永磁铁外部PMMA壳体9内部活动放置有磁化方向与固定永磁铁8相反的被驱动永磁铁10。

控制板卡1为单片机或数字信号输出卡，控制板卡1用于对致动器阵列提供脉冲驱动电流信号。

功率放大器2为电压电流转换器或可控硅，用于对系统驱动电流信号进行放大，为设备提供大电流脉冲，从而在被驱动致动器上产生较大洛伦兹驱动力。

线圈电路板3为印制的电磁线圈电路板，线圈电路板3上的铜线圈中心位置与被驱动永磁铁10的位置对应设置。

直线电路板5为双面印制的直线电路板，直线电路板5上的铜线正反正交垂直布置，正反正交的铜线的中心位置与被驱动永磁铁10的位置对应设置。

玻璃板一4和玻璃板二6的厚度为0.5mm，玻璃板一4和玻璃板二6的的形状为正方形，面积大小根据所需要致动器及电路板大小可做相应调整，玻璃板一4和玻璃板二6的主要作用为电磁隔离，玻璃板放置于直线电路板与致动器的磁铁之间及线圈电路板与直线电路板之间，由致动器结构体支撑。

如图1和2所示，被驱动永磁铁10和固定永磁铁8均为圆柱形磁铁或立方体磁铁，支撑框架为矩形；当被驱动永磁铁10或固定永磁铁8为圆柱形磁铁时，圆柱形磁铁的直径为4-20mm，高度为4-8mm；当被驱动永磁铁10或固定永磁铁8为立方体磁铁时，立方体磁铁的边长为4-20mm，同样形状磁铁之间的尺寸可以相同，也可以不同。

致动器7的支撑框架上的凹槽为凸字型凹槽，被驱动永磁铁外部PMMA壳体9与凸字型凹槽的侧面、上下面之间均有间距，PMMA壳体底部边界11与凸字型凹槽的侧面之间有间距。致动器7可由螺钉连接固定在工作平台上。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器的驱动方法，具体步骤如下：

步骤1.对线圈电路板3中的电磁线圈相应移动方向施加电流并保持，其产生的磁悬浮力举升被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9，且使被驱动永磁铁外部PMMA壳体9与致动器7的支撑框架上的凸字型凹槽下表面接触，从而保证z方向静定，完成致动器7沿z方向的上升运动；

步骤2.对直线电路板5相应移动方向的导线施加电流脉冲，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器7沿x或y方向运动；

步骤3.对线圈电路板3中的电磁线圈相应移动方向施加反向电流或切断原有电流，使得被驱动永磁铁10和被驱动永磁铁外部PMMA壳体9回落到玻璃板二6上方位置并由其支撑；

步骤4.对直线电路板5相应移动方向的导线施加反向电流脉冲，使被驱动永磁铁10和被驱动永磁铁外部PMMA壳体9产生位移，回复到初始位置，实现致动器7沿x或y方向的反向运动。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器，其工作原理如下：

致动器7采用电磁驱动原理，通过控制电流脉冲的方式在致动器7的被驱动永磁铁10上产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下驱动致动器7中被驱动永磁铁10产生位移；

状态保持方式：为了实现稳定的平面内位移输出，在致动器单元上设计了4个稳态位置，即使用了置于支撑框架内四个角位置的4个固定永磁铁，其磁化方向与被驱动永磁铁反向，从而在静态状态下时，被驱动永磁铁将受到来自于固定永磁铁的静磁吸引力，从而确定其在支撑框架内时只能处于离这4个固定永磁铁最近的四角位置，在外界干扰不大的情况下，被驱动永磁铁10将一直保持在这四个位置之一，即称为四稳态；

运动方式：即致动器7中被驱动永磁铁10的运动，四稳态在支撑框架中也是位于矩形结构的四个顶点，于是，仅需对致动器7底部的相应导线和线圈通电脉冲，即可完成对被驱动永磁铁10的驱动，即从一个稳态位置到另一个稳态位置，此过程中，电磁驱动力需大于静磁吸引力；

逻辑控制方式：对致动器7的通电逻辑控制顺序采用平行双路径的控制，位上升——位驱动——位下降——位回复的方式，第一步：先对致动器7底部电磁线圈电路板3上的线圈施加相应方向电流，并保持使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9受到磁悬浮力，变为磁悬浮状态；如图3中(1)所示，由于被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9上升，被驱动永磁铁外部PMMA壳体9与致动器7底部框架接触，使得被驱动永磁铁10在z方向保持静定；另外，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向同样保持静定；第二步：如图3中(2)所示，向直线电路板5上的相应导线发出脉冲电流，产生的驱动力驱使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器的运动；第三步：如图3中(3)所示，停止或反向对致动器7底部电磁线圈电路板3上的线圈施加的电流，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9由于重力原因或电磁吸引力回落到玻璃板二6上，z方向运动自由度因此静定，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向也保持静定；第四步：如图3中(4)所示，对直线电路板5上的相应导线发出反向脉冲电流，使得被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9回到初始稳态位置。连续重复上述步骤，即可使致动器连续运动，实现致动器三自由度运动。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器及其驱动方法，其优点在于：结构简单，开环控制，基于数字控制驱动致动器只需要电流脉冲，无需安装反馈传感器，因此相比基于模拟致动器的装置其成本较低，安装结构紧凑，控制方便，工业应用潜力巨大，在空间紧凑的场合，可取代传统的模拟致动器；被驱动永磁铁具有x、y、z三个方向的运动自由度。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器的驱动方法中，步骤2和步骤3也可以在具体情况中根据具体运动操作需要自行选择是否需要。

实施例1

一种便于集成的微型电磁致动器，其结构如图1和2所示，包括控制板卡1，控制板卡1通过导线12连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线分别连接线圈电路板3及直线电路板5；如图2所示，线圈电路板3及直线电路板5之间由一层玻璃板一4分开，直线电路板5上方设置有玻璃板二6，玻璃板二6上方设置有致动器7。致动器7由4个固定永磁铁8、一个被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9构成，其运动精度沿x，y向为0.2mm，z向为0.5mm。

被驱动永磁铁10为立方体磁铁，其尺寸为4mm x 4mm x 2mm；固定永磁铁8为立方体形磁铁，尺寸为4mm x 4mm x 2mm。

控制板卡1至少有3个数字信号输出端口，经由功率放大器2将电流脉冲信号，传递于线圈电路板3及直线电路板5构成导电回路。

功率放大器2为电压电流转换器，将控制板卡1的电压信号转化为脉冲电流信号，驱动电流一般可为1～10A。

玻璃板一4和玻璃板二6的厚度均为0.5mm。

被驱动永磁铁外部PMMA壳体9外侧面与致动器7凸字型凹槽内侧面的距离为200μm。

被驱动永磁铁外部PMMA壳体9下部上表面与致动器7凸字型凹槽下表面的设计间距为500μm。

如图3所示，驱动步骤为：第一步，先对致动器7底部线圈电路板3的电磁线圈施加相应方向电流并保持，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9受到磁悬浮力，变为磁悬浮状态，如图3中(1)所示，由于被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9上升，被驱动永磁铁外部PMMA壳体9与致动器7底部框架接触，使得被驱动永磁铁10在z方向保持静定；另外，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向同样保持静定；第二步：如图3中(2)所示，向直线电路板5上的相应导线发出脉冲电流，产生的驱动力驱使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器的运动；第三步：如图3中(3)所示，停止或反向对致动器7底部电磁线圈电路板3上的线圈施加的电流，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9由于重力原因或电磁吸引力回落到玻璃板二6上，z方向运动自由度因此静定，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向也保持静定；第四步：如图3中(4)所示，对直线电路板5上的相应导线发出反向脉冲电流，使得被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9回到初始稳态位置，连续重复上述步骤，即可使致动器连续运动，实现致动器三自由度运动。

采用以上方式驱动，每次驱动能得到被驱动永磁铁10驱动x，y方向200μm的位移输出，z方向驱动可获得500μm位移输出。

实施例2

一种便于集成的微型电磁致动器，其结构如图1和2所示，包括控制板卡1，控制板卡1通过导线12连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线分别连接线圈电路板3及直线电路板5；如图2所示，线圈电路板3及直线电路板5之间由一层玻璃板一4分开，直线电路板5上方设置有玻璃板二6，玻璃板二6上方设置有致动器7。致动器7由4个固定永磁铁8、一个被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9构成，其运动精度沿x，y向均为0.5mm，z向为0.8mm。

被驱动永磁铁10为立方体磁铁，其尺寸为5mm x 5mm x 2mm；固定永磁铁8为立方体形磁铁，尺寸为5mm x 5mm x 2mm。

控制板卡1至少有3个数字信号输出端口，经由功率放大器2将电流脉冲信号，传递于线圈电路板3及直线电路板5构成导电回路。

功率放大器2为电压电流转换器，将控制板卡1的电压信号转化为脉冲电流信号，驱动电流一般可为1～10A。

玻璃板一4和玻璃板二6的厚度均为0.5mm。

被驱动永磁铁外部PMMA壳体9外侧面与致动器7凸字型凹槽内侧面的距离为500μm。

被驱动永磁铁外部PMMA壳体9下部上表面与致动器7凸字型凹槽下表面的设计间距为800μm。

本发明一种便于集成的微型电磁致动器的驱动方法的逻辑控制程序均存储于控制板卡1中。

如图3所示，本发明一种便于集成的微型电磁致动器的驱动步骤为：第一步，先对致动器7底部线圈电路板3的电磁线圈施加相应方向电流并保持，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9受到磁悬浮力，变为磁悬浮状态，如图3中(1)所示，由于被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9上升，被驱动永磁铁外部PMMA壳体9与致动器7底部框架接触，使得被驱动永磁铁10在z方向保持静定；另外，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向同样保持静定；第二步：如图3中(2)所示，向直线电路板5上的相应导线发出脉冲电流，产生的驱动力驱使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器的运动；第三步：如图3中(3)所示，停止或反向对致动器7底部电磁线圈电路板3上的线圈施加的电流，使被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9由于重力原因或电磁吸引力回落到玻璃板二6上，z方向运动自由度因此静定，被驱动永磁铁10同样处于四稳态其中的一个，使得其在x和y方向也保持静定；第四步：如图3中(4)所示，对直线电路板5上的相应导线发出反向脉冲电流，使得被驱动永磁铁10及被驱动永磁铁外部PMMA壳体9回到初始稳态位置，连续重复上述步骤，即可使致动器连续运动，实现致动器三自由度运动。

采用以上方式驱动，每次驱动能得到被驱动永磁铁10驱动x，y方向500μm的位移输出，z方向驱动可获得800μm位移输出。

Claims (7)

1.一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，包括控制板卡（1），所述控制板卡（1）通过导线（12）连接有功率放大器（2），所述功率放大器（2）通过导线（12）连接有线圈电路板（3）及直线电路板（5），线圈电路板（3）上面固接玻璃板一（4），所述玻璃板一（4）上面固接直线电路板（5），直线电路板（5）上端固接玻璃板二（6），所述玻璃板二（6）上端固接致动器（7）；所述致动器（7）包括支撑框架，固定嵌装在支撑框架四角处的固定永磁铁（8），活动嵌装在支撑框架凹槽内的被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9），被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）内部活动放置有磁化方向与固定永磁铁（8）相反的被驱动永磁铁（10）；所述控制板卡（1）为单片机或数字信号输出卡；所述功率放大器（2）为电压电流转换器或可控硅，所述线圈电路板（3）为印制的电磁线圈电路板，线圈电路板（3）上的铜线圈中心位置与被驱动永磁铁（10）的位置对应设置。

2.根据权利要求1所述的一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，所述直线电路板（5）为双面印制的直线电路板，直线电路板（5）上的正面与反面的铜线正交布置，正面与反面的铜线的中心位置与被驱动永磁铁（10）的位置对应设置。

3.根据权利要求1所述的一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，所述玻璃板一（4）和玻璃板二（6）的厚度均为0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，所述被驱动永磁铁（10）和固定永磁铁（8）均为圆柱形磁铁或立方体磁铁。

5.根据权利要求4所述的一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，当所述被驱动永磁铁（10）或固定永磁铁（8）为圆柱形磁铁时，圆柱形磁铁的直径为4-20mm，高度为4-8mm；当所述被驱动永磁铁（10）或固定永磁铁（8）为立方体磁铁时，立方体磁铁的边长为4-20mm。

6.根据权利要求1所述的一种便于集成的微型电磁致动器，其特征在于，所述致动器（7）的支撑框架上的凹槽为凸字型凹槽，所述被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）与所述凸字型凹槽的侧面、上下面之间均有间距。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种便于集成的微型电磁致动器的驱动方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1.对线圈电路板（3）中的电磁线圈相应移动方向施加电流并保持，其产生的磁悬浮力举升被驱动永磁铁（10）及被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9），且使被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）与致动器（7）的支撑框架上的凸字型凹槽下表面接触，从而保证z方向静定，完成致动器（7）沿z方向的上升运动；

步骤2.对直线电路板（5）相应移动方向的铜线施加电流脉冲，使被驱动永磁铁（10）及被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，实现致动器（7）沿x或y方向运动；

步骤3.对线圈电路板（3）中的电磁线圈相应移动方向施加反向电流或切断原有电流，使得被驱动永磁铁（10）和被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）回落到玻璃板二（6）上方位置并由其支撑；

步骤4.对直线电路板（5）相应移动方向的铜线施加反向电流脉冲，使被驱动永磁铁（10）和被驱动永磁铁外部PMMA壳体（9）产生位移，回复到初始位置，实现致动器（7）沿x或y方向的反向运动。

Images