CN207908983U - 一种基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置，涉及精密机械和现代控制技术领域。本装置包括底座；设置有水平平台、倾角测量模块、放大和滤波模块、电流放大器和音圈电机；两个音圈电机分别设置于圆形平板的左边和前边，互为90度；倾斜传感器和参考电压分别和加法器连接，加法器、放大和滤波模块、电流放大器、音圈电机和水平平台依次连接。本装置采用非接触式设计，在进行倾斜控制的同时不影响被控台面的振动隔离效果；响应速度快；在原理上具有普遍适用性。本装置结构简单，倾斜变化压制效果明显，可广泛应用于姿态校准和吊机臂角控制等对倾斜敏感的系统中，同时本装置采用非接触式结构，能够运用到需要振动隔离的精密测量实验中。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密机械和现代控制技术领域，尤其涉及一种基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置。
背景技术
随着精密测量、精密机械的发展，如何减小安置设备和实验装置的水平平台的倾角至关重要。例如在激光精密干涉测量实验，100mrad（微弧度）量级的倾角变化就会对测量结果产生很大的影响。在工业生产中，微小的角度变化会使长基线加工和检测设备产生很大的偏差距离。
目前的倾斜控制装置中的执行器件多采用接触式结构，如空气弹簧等。这些器件因为通过介质（如压缩空气）与水平平台接触，阻尼较大，振荡周期长回复缓慢、响应频率较低，而且空气弹簧成本较高，寿命短，需要配备相应的排气控制装置，结构也较为复杂，使用起来相对麻烦。
在一些精密测量实验中，因为平台需要主动或者被动的振动隔离，而接触式的倾斜控制不可避免会产生一定强度的联接，反而破坏了被控平台的振动隔离效果。而音圈电机作为执行机构恰好具备非接触的特点，避免了因为执行机构和平台接触碰撞而对台面稳定性产生的干扰，这一点是接触式装置无法实现的。采取音圈电机作为执行器件，还具备高加速度、高速度、响应迅速等优良性能，这些特点也是采用接触式的装置很难实现的。
音圈电机是一种基于电流与磁场相互作用而产生力的器件，在使用过程中要注意避免周围磁性环境对音圈电机产生的干扰。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于克服现有接触式水平控制技术存在的缺点和不足，提供一种基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置。
本实用新型机械结构部分简单，可扩展空间大，伺服电路和控制方法可用于其他类似的反馈控制系统中，其方法在原理上具有普遍适用性。
本实用新型采用音圈电机作为执行机构来进行主动倾斜控制，形成一种结构简单、模块化、易于集成的倾斜控制装置，并且获得一个稳定的倾斜主动控制装置。
本实用新型的目的是这样实现的：
在现有伺服技术的基础上，通过外部执行机构的设计和改进，来克服接触式倾斜控制装置存在的困难。
具体地说，本装置包括底座；
设置有水平平台、倾角测量模块、放大和滤波模块、电流放大器和音圈电机；
水平平台包括上下连接的一个圆形平板和两个主动隔振台；
倾角测量模块包括倾斜传感器、参考电压、加法器和二维水平调整架；
放大和滤波模块包括前后连接的滤波电路和正相放大器；
音圈电机包括连接件、钕铁硼强磁铁、工字型圆筒和无氧铜漆包线；
其位置和连接关系是：
在底座上放置有水平平台；
两个音圈电机分别设置于圆形平板的左边和前边，互为90度；
从下到上，钕铁硼强磁铁、连接件和圆形平板的底面依次连接；工字型圆筒和底座的台面连接；钕铁硼强磁铁插入工字型圆筒中，在工字型圆筒外绕制有无氧铜漆包线；
从上到下，倾斜传感器、二维水平调整架和圆形平板的台面依次放置；
倾斜传感器和参考电压分别和加法器连接，加法器、放大和滤波模块、电流放大器、音圈电机和水平平台依次连接。
本装置具有以下优点和积极效果：
①采用非接触式设计，在进行倾斜控制的同时不影响被控台面的振动隔离效果；
②响应速度快；
③在原理上具有普遍适用性。
总之，本装置结构简单，倾斜变化压制效果明显，可广泛应用于姿态校准和吊机臂角控制等对倾斜敏感的系统中，同时本装置采用非接触式结构，能够运用到需要振动隔离的精密测量实验中。
附图说明
图1是本装置的结构方框图；
图2-1是本装置的结构示意图（主视）；
图2-2是本装置的结构示意图（俯视）；
图中：
00—底座；
10—水平平台，
11—主动隔振台，12—圆形平板；
20—倾角测量模块，
21—倾斜传感器，22—参考电压，23—加法器，24—二维水平调整架；
30—放大和滤波模块，
31—滤波电路，32—同相放大器；
40—电流放大器；
50—音圈电机，
51—连接件，52—钕铁硼强磁铁，53—工字型圆筒，54—无氧铜漆包线。
图3是倾斜控制曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本装置详细说明：
一、本装置的结构
1、总体
如图1、图2-1、图2-2，本装置包括底座00；
设置有水平平台10、倾角测量模块20、放大和滤波模块30、电流放大器40和音圈电机50；
水平平台10包括上下连接的一个圆形平板12和两个主动隔振台11；
倾角测量模块20包括倾斜传感器21、参考电压22、加法器23和二维水平调整架24；
放大和滤波模块30包括前后连接的滤波电路31和正相放大器32；
音圈电机50包括连接件51、钕铁硼强磁铁52、工字型圆筒53和无氧铜漆包线54；
其位置和连接关系是：
在底座00上放置有水平平台10；
两个音圈电机50分别设置于圆形平板12的左边和前边，互为90度；
从下到上，钕铁硼强磁铁52、连接件51和圆形平板12的底面依次连接；工字型圆筒53和底座00的台面连接；钕铁硼强磁铁52插入工字型圆筒53中，在工字型圆筒53外绕制有无氧铜漆包线54；
从上到下，倾斜传感器21、二维水平调整架24和圆形平板12的台面依次放置；
倾斜传感器21和参考电压22分别和加法器23连接，加法器23、放大和滤波模块30、电流放大器40、音圈电机50和水平平台10依次连接。
其工作机理是：
控制环路由倾角测量模块20、放大和滤波模块30、电流放大器40和音圈电机50依次连接组成；
倾斜传感器21和音圈电机50作为传感器和执行机构来进行倾斜的探测和抵消；
倾斜传感器21输出一个5V的直流偏置和交流的倾斜信号，参考电压22通过加法器23对倾斜传感器21输出的直流偏置进行补偿获得误差信号；误差信号依次经过滤波电路31滤波，降低高频部分的增益，提高环路稳定性，之后通过正相放大器32，获得较大的增益；放大后的误差信号经过电流放大器40之后进入到无氧铜漆包线54绕成的工字型圆筒53（螺线管）中，对钕铁硼强磁铁52产生电磁力来抵消台面倾斜。
具体地说，当圆形平板12水平程度发生变化时，倾斜传感器21获得倾斜信号（a）；
倾斜传感器21和参考电压22分别和加法器23连接，倾斜信号（a）和参考电压22输出的信号（b）相加，获得用于检测和处理的误差信号（c）；
加法器23输出端、滤波电路31和同相放大器32依次连接，对误差信号（c）进行放大和滤波获得控制电压（d）；
同相放大器32的输出端与电流放大器40相连，将控制电压（d）转换为大电流（e）输出以驱动音圈电机50；
音圈电机50通过电磁力作用在圆形平板12的台面，抬升或降低台面的侧边，来抵消其倾斜。
2、功能部件
０）底座00
底座00用于放置水平平台10和音圈电机50等装置。
1）水平平台10
水平平台10包括主动隔振台11和圆形平板12；
圆形平板12置于主动隔振台11之上，令圆形平板12与底座形成弹性连接，降低了地面的振动对倾斜的干扰。
（1）主动隔振台11
主动隔振台11可采用商用主动隔振平台,如型号为VCM-S400的主动隔振平台。
（2）圆形平板12
圆形平板12的制作材料为铝合金，其直径为76cm，厚度为7cm，重106kg。
2）倾斜测量模块20
倾斜测量模块20包括倾斜传感器21、参考电压22、加法器23和二维水平调整架24。
（1）倾斜传感器21
倾斜传感器21可采用商用倾角传感器，如型号为BWH-520的双轴倾斜传感器。
（2）参考电压22
参考电压22使用集成电路LT1021作为参考基准，获得较为精确的参考电压。
（3）二维水平调整架24
二维水平调整架24是一种通用件。
二维水平调整架24与倾斜传感器21固定在一起，起到静止情况下调整倾斜传感器21水平基准的功能。
3）放大和滤波模块30
放大和滤波模块30包括滤波电路31和同相放大器32。
滤波电路31和同相放大器32均为一种通用的电路。
放大和滤波模块30用于信号的放大和滤波。
通过滤波电路31对信号进行初步放大和滤波，获得足够的增益并滤除高频的谐振峰，保证环路的稳定。
同相放大器32再对滤波后的信号进一步放大，获得较大增益。
4）电流放大器40
电流放大器40中的运放为OPA541AP，最大输出电流达到10A，能把放大后的信号转变为大电流以驱动音圈电机50。
5）音圈电机50
音圈电机50（执行机构）包括连接件51、钕铁硼强磁铁52、工字型圆筒53和无氧铜漆包线54。
（1）钕铁硼强磁铁52
钕铁硼强磁铁52由两块直径48mm、厚度19mm的钕铁硼磁铁组成，通过连接件51固定在圆形平板12上，给圆形平板02施加力。
（2）工字型圆筒53
工字型圆筒53是铝制的，内径比钕铁硼强磁铁52大5mm，能够有效避免两者相互接触。
（3）无氧铜漆包线54
无氧铜漆包线54缠绕在工字型圆筒53上共计640匝，能够给磁铁产生足够的电磁力同时还避免了线圈匝数过多造成的功耗过大。
二、本装置的操作方法
①将倾斜传感器21固定在二维水平调整架24上，将二维水平调整架24置于所需要进行控制的水平平台10上，来检测水平平台10的倾斜；
②打开本装置各部分的电源，调节二维水平调整架24使倾斜传感器21输出水平基准信号，调节参考电压22的值抵消倾斜传感器21直流偏置电压使得倾角测量模块20输出直流很小；
③把放大和滤波模块30中的放大器的增益调节到最小；
④电流放大器40增益先加少量，来保证有很小的谐振压制效果；
⑤闭合反馈控制回路，待系统稳定后，逐步提高电流放大器40的增益，直到压制效果最佳，系统也不振荡。
三、实际测量所得的结果
图3显示了对圆形平板12施加一个周期性的力，使其输出周期为0.02s的倾斜信号；先是通过闭环，实现倾斜控制，对倾斜测量模块20输出的误差信号进行监测，然后断开电流放大器40与音圈电机50之间的连线，让系统开环，再对倾斜测量模块20输出的误差信号进行监测；可以发现，开环时，倾斜变化约有±400mrad（微弧度），闭环控制后，倾斜变化约有±90mrad（微弧度），倾斜被压制了近5倍。
Claims (1)
1.一种基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置，其特征在于：
本装置包括底座（00）；
设置有水平平台（10）、倾角测量模块（20）、放大和滤波模块（30）、电流放大器（40）和音圈电机（50）；
水平平台（10）包括上下连接的一个圆形平板（12）和两个主动隔振台（11）；
倾角测量模块（20）包括倾斜传感器（21）、参考电压（22）、加法器（23）和二维水平调整架（24）；
放大和滤波模块（30）包括前后连接的滤波电路（31）和正相放大器（32）；
音圈电机（50）包括连接件（51）、钕铁硼强磁铁（52）、工字型圆筒（53）和无氧铜漆包线（54）；
其位置和连接关系是：
在底座（00）上放置有水平平台（10）；
两个音圈电机（50）分别设置于圆形平板（12）的左边和前边，互为90度；
从下到上，钕铁硼强磁铁（52）、连接件（51）和圆形平板（12）的底面依次连接；工字型圆筒（53）和底座（00）的台面连接；钕铁硼强磁铁（52）插入工字型圆筒（53）中，在工字型圆筒（53）外绕制有无氧铜漆包线（54）；
从上到下，倾斜传感器（21）、二维水平调整架（24）和圆形平板（12）的台面依次放置；
倾斜传感器（21）和参考电压（22）分别和加法器（23）连接，加法器（23）、放大和滤波模块（30）、电流放大器（40）、音圈电机（50）和水平平台（10）依次连接。
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
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| CN108227758A (zh) * | 2018-03-08 | 2018-06-29 | 中国科学院武汉物理与数学研究所 | 基于音圈电机的非接触式双轴倾斜控制装置 |
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2018
- 2018-03-08 CN CN201820319042.5U patent/CN207908983U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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