RU2630074C2

RU2630074C2 - Actuating device for precision positioning of actuating element

Info

Publication number: RU2630074C2
Application number: RU2016100523A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Горбатенко; Валерий Викторович Гречихин; Иван Стефанович Краевский; Артем Владимирович Кудря
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2017-09-05
Also published as: RU2016100523A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: actuating device comprises a control system 1, a controllable current source 2, an actuating element 12, an actuating element position sensor 3 and a magnetic subsystem 16 including the first and second active elements made of a ferromagnetic material with a shape memory effect and an active element temperature sensor 15. The magnetic subsystem is made in the form of at least two twin coils 6-11 for each active element. The controllable current source is made multichannel with the possibility of independent generation of current pulses in each twin coil.

EFFECT: increased accuracy of positioning and operation speed, reduced overall dimensions of the device.

6 dwg

Description

Изобретение относится к мехатронике и может быть использовано в промышленных системах управления технологическими процессами, в узлах медицинской техники, в прецизионных системах позиционирования, в устройствах активной и адаптивной оптики.The invention relates to mechatronics and can be used in industrial process control systems, in medical equipment nodes, in precision positioning systems, in active and adaptive optics devices.

Известно исполнительное устройство, предназначенное для перемещения исполнительного элемента, содержащее магнитную подсистему представленную в виде разомкнутого магнитопровода, с возбуждающей катушкой, в воздушном зазоре которого располагается термомагнитомеханический преобразователь далее - активный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с памятью формы (ФМПФ), а также исполнительный элемент, используемый для воздействия на объект управления. Исполнительное устройство способно перемещать объект в одном направлении за счет магнитоуправляемого эффекта памяти формы, для перемещения объекта в обратном направлении необходимо приложить внешнюю нагрузку. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, N. Chaillet, and С.Lexcellent, "Nonlinear hamiltonian modelling of magnetic shape memory alloy based actuators," Sensors & Actuators A, vol. 141, pp. 536-547, 2008].Known actuator designed to move the actuator, containing a magnetic subsystem presented in the form of an open magnetic circuit, with an exciting coil, in the air gap of which is located a thermomagnetomechanical converter, further - an active element made of ferromagnetic material with shape memory (FMF), as well as an actuator used to influence the control object. The actuator is able to move the object in one direction due to the magnetically controlled shape memory effect, to move the object in the opposite direction, an external load is necessary. [cm. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, N. Chaillet, and C. Lexcellent, "Nonlinear hamiltonian modeling of magnetic shape memory alloy based actuators," Sensors & Actuators A, vol. 141, pp. 536-547, 2008].

Недостатками данного устройства являются большие габаритные размеры, низкое быстродействие, необходимость дополнительного потребления энергии для удержания исполнительного элемента в заданном положении, использование внешнего механического воздействия для сжатия активного элемента, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.The disadvantages of this device are large overall dimensions, low speed, the need for additional energy consumption to keep the actuator in a given position, the use of external mechanical stress to compress the active element, the effect of temperature on the properties of the active element is not taken into account.

Известно двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему включающую первый и второй активный элемент выполненные из ФМПФ, управляемый источник тока, систему регулирования на основе пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) и пропорционально-интегрирующих регуляторов, датчик определения положения исполнительного элемента и исполнительный элемент. Первый активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в прямом направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Второй активный элемент способен удлиняется под воздействием внешнего магнитного поля и перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при этом сжимая второй активный элемент. Под исполнительным элементом подразумевается элемент конструкции устройства передающий механическое воздействие на объект управления. Магнитная подсистема исполнительного устройства, представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. [см. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, С. Lexcellent, and N. Chaillet, "Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy," in ACTUATOR 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 2006, pp. 787-790.].Known push-pull actuator designed to move objects in the millimeter range with a resolution of several micrometers, containing a magnetic subsystem including the first and second active element made of FMF, a controlled current source, a control system based on proportional-integral-differentiating (PID) and proportionally -integrating regulators, a sensor for determining the position of the actuating element and the actuating element. The first active element is able to lengthen under the influence of an external magnetic field and move the actuator in the forward direction, while compressing the second active element. The second active element is able to lengthen under the influence of an external magnetic field and move the actuator in the opposite direction, while compressing the second active element. By an actuating element is meant a structural element of a device transmitting a mechanical effect on a control object. The magnetic subsystem of the actuator is two independent open magnetic circuits, with exciting coils, in the air gap of each there is one active element. [cm. J.Y. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, C. Lexcellent, and N. Chaillet, "Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy," in ACTUATOR 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, 2006, pp. 787-790.].

Недостатками данного устройства являются низкое быстродействие, большие габаритные размеры, не учитывается влияние температуры на свойства активного элемента.The disadvantages of this device are low speed, large overall dimensions, the effect of temperature on the properties of the active element is not taken into account.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа двухтактное исполнительное устройство. [A. Hubert, N. Calchand, Y. Le Gorrec, J.-Y. Gauthier, "Magnetic Shape Memory Alloys as smart materials for micro-positioning devices" in "Advanced Electromagnetics Symposium, AES'12., TELECOM PARISTECH, Paris: France (2012)"].The closest in technical essence to the claimed device is a push-pull actuator selected as a prototype. [A. Hubert, N. Calchand, Y. Le Gorrec, J.-Y. Gauthier, "Magnetic Shape Memory Alloys as smart materials for micro-positioning devices" in "Advanced Electromagnetics Symposium, AES'12., TELECOM PARISTECH, Paris: France (2012)"].

Двухтактное исполнительное устройство, предназначенное для перемещения объектов в миллиметровом диапазоне с разрешающей способностью в несколько микрометров, содержащее магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы выполненный из ФМПФ, исполнительный элемент, датчик определения положения исполнительного элемента, управляемый источник тока и систему управления. Первый активный элемент выполнен с возможностью удлинения и перемещения исполнительного элемента, выполненного из немагнитного материала, в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент расположен напротив первого и способен перемещать исполнительный элемент в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема представляет собой два независимых разомкнутых магнитопровода, с возбуждающими катушками, в воздушном зазоре каждого находится по одному активному элементу. Управляемый источник тока с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) содержит датчик тока, при этом регулирование тока в намагничивающих катушках осуществляется с помощью ПИД регулятора. Определение положения исполнительного элемента производится с помощью датчика, а результат обрабатывается в системе управления, причем с помощью той же системы управления формируются управляющие сигналы для управляемого источника тока. Недостатками данного устройства являются:A push-pull actuator designed to move objects in the millimeter range with a resolution of several micrometers, containing a magnetic subsystem, including the first and second active elements made of FMF, an actuator, a sensor for determining the position of the actuator, a controlled current source and a control system. The first active element is made with the possibility of elongation and movement of the actuating element made of non-magnetic material in the forward direction when exposed to a magnetic field. The second active element is located opposite the first and is able to move the actuator in the opposite direction, when exposed to a magnetic field. The magnetic subsystem is two independent open magnetic circuits, with exciting coils, in the air gap of each is one active element. The controlled current source with amplitude-pulse modulation (AIM) contains a current sensor, while the current regulation in the magnetizing coils is carried out using a PID controller. The position of the actuating element is determined using the sensor, and the result is processed in the control system, and using the same control system, control signals are generated for the controlled current source. The disadvantages of this device are:

1. Невысокая точность позиционирования исполнительного элемента, обусловленная низкой разрешающей способностью двухтактного исполнительного устройства, из-за воздействия одновременно на весь объем каждого активного элемента, а также из-за значительной нелинейности физических процессов в магнитной подсистеме.1. The low accuracy of the positioning of the actuator, due to the low resolution of the push-pull actuator, due to the impact on the entire volume of each active element, as well as due to the significant nonlinearity of physical processes in the magnetic subsystem.

2. Низкое быстродействие прототипа, обусловленное структурой магнитной подсистемы, содержащей магнитопровод из магнитомягкого материала и требующего значительных временных затрат на перемагничивание, в том числе и магнитопровода.2. The low speed of the prototype due to the structure of the magnetic subsystem containing a magnetic core of magnetically soft material and requiring significant time costs for magnetization reversal, including the magnetic core.

3. Большие габаритные размеры, магнитной подсистемы, и как следствие устройства в целом.3. Large overall dimensions, magnetic subsystem, and as a result of the device as a whole.

Задачей изобретения является повышение точности позиционирования и быстродействия, а также уменьшение габаритных размеров исполнительного устройства.The objective of the invention is to improve the accuracy of positioning and speed, as well as reducing the overall dimensions of the actuator.

Техническим результатом изобретения является уменьшение времени отклика магнитной подсистемы и повышение разрешающей способности исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.The technical result of the invention is to reduce the response time of the magnetic subsystem and increase the resolution of the actuator for precision positioning of the actuator.

В свою очередь уменьшение времени отклика магнитной подсистемы увеличивает быстродействие. Использование магнитной подсистемы состоящей из нескольких сдвоенных катушек, а так же учет влияния температуры на свойства активного элемента из ФМПФ, позволяет создавать импульсные магнитные поля достаточной мощности для локальной активации эффекта памяти формы, а не во всем объеме сразу, что повышает разрешающую способность, что в итоге приводит к увеличению точности позиционирования исполнительного элемента. Уменьшение габаритных размеров обусловлено использованием оригинальной распределенной магнитной подсистемы, отличительной особенностью которой является использование сдвоенных катушек не содержащих магнитопроводы.In turn, reducing the response time of the magnetic subsystem increases the speed. Using a magnetic subsystem consisting of several dual coils, as well as taking into account the effect of temperature on the properties of the active element from the FMPF, allows creating pulsed magnetic fields of sufficient power for local activation of the shape memory effect, and not in the entire volume at once, which increases the resolution, which as a result, increases the accuracy of the positioning of the actuator. The reduction in overall dimensions is due to the use of the original distributed magnetic subsystem, a distinctive feature of which is the use of dual coils not containing magnetic cores.

Заявленный технический результат достигается с помощью исполнительного устройства содержащего магнитную подсистему, включающую первый и второй активные элементы из ФМПФ, исполнительный элемент, многоканальный управляемый импульсный источник тока, систему управления, а также датчики температуры активных элементов и определения положения исполнительного элемента. Первый и второй активные элементы, имеют форму параллелепипеда, одна из сторон которого намного больше двух других, и выполнены из ферромагнитного материала с эффектом памяти формы. Первый активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в прямом направлении, при воздействии на него магнитного поля. Второй активный элемент выполнен с возможностью перемещения исполнительного элемента в обратном направлении, при воздействии на него магнитного поля. Магнитная подсистема исполнительного устройства предназначена для создания локального импульсного магнитного поля, с напряженностью/индукцией достаточной для активации эффекта памяти формы в выбранном активном элементе, причем, для намагничивания каждого активного элемента используется распределенная намагничивающая система, состоящая из, по крайней мере, двух сдвоенных катушек, без ферромагнитных сердечников, размещенных вдоль длиннейшей стороны активного элемента. Предлагаемая магнитная подсистема позволяет создавать магнитное поле с заданными параметрами, локально или во всем объеме активного элемента сразу. Для формирования неоднородного магнитного поля используется управляемый многоканальный импульсный источник тока, способный формировать импульсы достаточной амплитуды и длительности для активации магнитомеханических процессов в объеме активного элемента. Импульсы имеют высокую скважность для исключения нагрева активного элемента и проводящей среды магнитной подсистемы, подаются независимо в любую сдвоенную катушку распределенной магнитной подсистемы в любой комбинации зависящей от процесса позиционирования. Информация, получаемая от датчика температуры активных элементов, используется для корректировки управляющих импульсов, амплитуды и длительности, в заданном диапазоне температур. Повышение точности позиционирования исполнительного элемента достигается тем, что каждый активный элемент в любой момент времени управляемым образом удлиняется независимо, при этом учитывается влияние температуры. Датчик определения положения используется для корректировки позиции исполнительного элемента. На фиг. 1 изображен пример сдвоенной катушки.The claimed technical result is achieved using an actuator containing a magnetic subsystem, including the first and second active elements from the FMF, the actuator, a multi-channel controlled pulsed current source, a control system, as well as temperature sensors of the active elements and determine the position of the actuator. The first and second active elements have a parallelepiped shape, one of whose sides is much larger than the other two, and are made of ferromagnetic material with a shape memory effect. The first active element is configured to move the actuator in the forward direction when exposed to a magnetic field. The second active element is arranged to move the actuating element in the opposite direction when exposed to a magnetic field. The magnetic subsystem of the actuator is designed to create a local pulsed magnetic field, with an intensity / induction sufficient to activate the shape memory effect in the selected active element, and to magnetize each active element, a distributed magnetizing system consisting of at least two dual coils is used, without ferromagnetic cores placed along the longest side of the active element. The proposed magnetic subsystem allows you to create a magnetic field with specified parameters, locally or in the entire volume of the active element at once. To form an inhomogeneous magnetic field, a controlled multichannel pulsed current source is used, which is capable of generating pulses of sufficient amplitude and duration to activate magnetomechanical processes in the volume of the active element. The pulses have a high duty cycle to prevent heating of the active element and the conductive medium of the magnetic subsystem, are fed independently to any dual coil of a distributed magnetic subsystem in any combination depending on the positioning process. The information received from the temperature sensor of the active elements is used to adjust the control pulses, amplitude and duration, in a given temperature range. Improving the accuracy of positioning of the actuating element is achieved by the fact that each active element at any time in a controlled manner lengthens independently, taking into account the influence of temperature. The position sensor is used to adjust the position of the actuator. In FIG. 1 shows an example of a dual coil.

На фиг. 2 представлена структурная схема исполнительного устройства для прецизионного позиционирования исполнительного элемента.In FIG. 2 is a structural diagram of an actuator for precision positioning of an actuator.

Изображение на фиг. 3 поясняет алгоритм работы исполнительного устройства.The image in FIG. 3 illustrates the operation algorithm of the actuator.

На фиг. 4 представлен график показывающий зависимость между относительным удлинением активного элемента, температурой и количеством импульсов (длительность импульса 50 мкс).In FIG. 4 is a graph showing the relationship between the relative elongation of the active element, temperature and the number of pulses (pulse duration 50 μs).

На фиг. 5 представлен график, показывающий динамку относительного удлинения при длительность импульса 0,5 мс, при этом большая относительная деформация обусловленная подтягиванием новых участков активного элемента в область действия сдвоенной катушки.In FIG. 5 is a graph showing the dynamics of elongation at a pulse duration of 0.5 ms, with a large relative deformation due to pulling new areas of the active element into the range of the dual coil.

На фиг. 6 представлена схема механического соединения исполнительного элемента с активными элементами и их ограничителями, где L исходная длинна активного элемента.In FIG. 6 is a diagram of a mechanical connection of an actuator with active elements and their limiters, where L is the initial length of the active element.

Устройство позиционирования исполнительного элемента содержит систему управления 1, многоканальный управляемый импульсный источник тока 2, датчик определения положения исполнительного элемента 3, датчик температуры активных элементов 15, магнитную подсистему 16, состоящую из совокупности сдвоенных катушек 6-11 (не менее двух сдвоенных катушек для каждого активного элемента), первого активного элемента 4 и второго активного элемента 5, также устройство позиционирования исполнительного элемента содержит ограничитель для первого активного элемента 13, ограничитель для второго активного элемента 14, исполнительный элемент 12.The actuator positioning device comprises a control system 1, a multi-channel controlled pulsed current source 2, an actuator position sensor 3, an active element temperature sensor 15, a magnetic subsystem 16, consisting of a set of dual coils 6-11 (at least two dual coils for each active element), the first active element 4 and the second active element 5, also the positioning device of the actuating element contains a limiter for the first active element 13, a limiter for the second active element 14, the actuator 12.

Система управления 1 предназначена для сбора информации со всех датчиков и формирования управляющих сигналов для управляемого многоканального импульсного источника тока 2, может быть создана, например, на основе микроконтроллера, микропроцессора или промышленного компьютера.The control system 1 is designed to collect information from all sensors and generate control signals for a controlled multichannel pulse current source 2, can be created, for example, based on a microcontroller, microprocessor or industrial computer.

Проведенный поиск среди средств того же назначения, что и заявляемое, не выявил тождественных технических решений в отношении всей совокупности существенных признаков предполагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».The search among the means of the same purpose as the claimed did not reveal identical technical solutions in relation to the totality of the essential features of the alleged invention. This allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Анализ уровня техники позволил установить, что присущие предлагаемому изобретению отличительные признаки такие, как наличие, по крайней мере, двух сдвоенных катушек в магнитной подсистеме 16 исполнительного устройства для каждого активного элемента 4, 5, возможность индивидуального управления сдвоенными катушками магнитной подсистемы 16, посредствам использования многоканального управляемого импульсного источника тока 2 и учет влияния температуры, с помощью датчика температуры активных элементов 15, на свойства активного элемента (4, 5), при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое исполнительное устройство для прецизионного позиционирования исполнительного элемента выше указанные блоки проявляют новые свойства, заключающиеся в уменьшение времени отклика магнитной подсистемы, что обеспечивает увеличение скорости позиционирования исполнительного элемента, т.е. быстродействия устройства позиционирования, повышению разрешающей способности и, как следствие, точности позиционирования, уменьшению габаритных размеров. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».The analysis of the prior art allowed us to establish that the distinguishing features inherent in the present invention, such as the presence of at least two dual coils in the magnetic subsystem 16 of the actuator for each active element 4, 5, the ability to individually control the dual coils of the magnetic subsystem 16, through the use of multi-channel controlled pulse current source 2 and taking into account the influence of temperature, using the temperature sensor of the active elements 15, on the properties of the active element (4, 5), When administered in connection with said other circuit elements in the claimed precision actuator for positioning the actuator element above said blocks exhibit new properties, is to reduce the response time of the magnetic subsystem that provides an increase in speed positioning actuator, i.e. speed of the positioning device, increasing the resolution and, as a result, positioning accuracy, reducing overall dimensions. This allows you to make a positive conclusion about the conformity of the technical solution to the criterion of "inventive step".

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Система управления 1, на основе информации, полученной от датчика температуры активных элементов 15 и датчика определения положения исполнительного элемента 3, формирует управляющие сигналы для многоканального управляемого импульсного источника тока 2, создающего импульсы тока с заданными параметрами в сдвоенных катушках 6-8 распределенной магнитной подсистемы 16, для движения исполнительного элемента 12 в прямом направлении, соответственно, для движения в обратном направлении импульсы тока формируются в сдвоенных катушках 9-11 магнитной подсистемы 16. Импульсное магнитное поле в ограниченном объеме активного элемента инициирует структурный фазовый переход, за счет которого выбранный активный элемент (4 или 5) удлиняется (принимает исходную форму) при этом сжимая (деформируя) противостоящий.The control system 1, based on the information received from the temperature sensor of the active elements 15 and the sensor for determining the position of the actuating element 3, generates control signals for a multi-channel controlled pulsed current source 2, which generates current pulses with specified parameters in dual coils 6-8 of the distributed magnetic subsystem 16 , for the movement of the actuating element 12 in the forward direction, respectively, for movement in the opposite direction, current pulses are generated in the dual coils 9-11 of the magnetic 16. odsistemy pulsed magnetic field in a limited volume of the active element initiates the structural phase transition, due to which the selected active element (4 or 5) is extended (to its original shape) at the same time squeezing (deforming) opposed.

Многоканальный импульсный источник тока 2, может создавать ток одновременно во всех сдвоенных катушках 6-8 или 9-11, или индивидуально в зависимости от требуемой величины перемещения. Для увеличения разрешающей способности используются импульсы тока длительностью до 50 мкс, при этом стоит учитывать влияние температуры активных элементов (фиг. 4). При последовательном удлинении активного элемента (4 или 5) для уже деформированных сегментов формируется синхронные импульсы удерживающего магнитного поля, фиг. 3 поясняет принцип управления формой активного элемента (4 или 5) с помощью магнитной подсистемы. В случае, когда на исполнительный элемент не действует внешняя сила достаточная для упругой деформации активных элементов, его фиксация происходит за счет механического гистерезиса ФМПФ и не требует дополнительных затрат энергии. Исполнительный элемент 12 выполнен из немагнитного материала и может иметь произвольную форму или размеры, при этом активные элементы (4 и 5) установлены таким образом, чтобы удлинение одного из них непременно сжимало противостоящий (фиг. 6), при этом ограничители 13, 14 выполнены из немагнитного материала и используются для опоры активных элементов (4 и 5 соответственно). Датчик определения положения исполнительного элемента 3 определяет его положение с точностью до нанометров и передает эту информацию в систему управления 1 для формирования управляющих сигналов.Multichannel pulsed current source 2, can create current simultaneously in all dual coils 6-8 or 9-11, or individually, depending on the required amount of displacement. To increase the resolution, current pulses of up to 50 μs duration are used, while the influence of the temperature of the active elements should be taken into account (Fig. 4). When the active element is sequentially elongated (4 or 5), synchronous impulses of a holding magnetic field are formed for already deformed segments, FIG. 3 illustrates the principle of controlling the shape of the active element (4 or 5) using a magnetic subsystem. In the case when the external element does not act with an external force sufficient for elastic deformation of the active elements, its fixation occurs due to the mechanical hysteresis of the FMPF and does not require additional energy costs. The actuating element 12 is made of non-magnetic material and can have any shape or size, while the active elements (4 and 5) are installed so that the extension of one of them necessarily compresses the opposing one (Fig. 6), while the stops 13, 14 are made of non-magnetic material and are used to support the active elements (4 and 5, respectively). The sensor for determining the position of the actuating element 3 determines its position accurate to nanometers and transmits this information to the control system 1 for generating control signals.

Claims

Actuator for precision positioning of the actuator, comprising a control system, a controlled current source, actuator, sensor for determining the position of the actuator and a magnetic subsystem including the first and second active elements made of ferromagnetic material with a shape memory effect, characterized in that it additionally contains a temperature sensor of the active elements, and the magnetic subsystem is made in the form of at least two dual coils for each of the active element, wherein the current source is configured multichannel, with independent current pulses forming each double coil.