CN107907992A - 正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构及作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构及作动方法，该作动机构包括镜面支撑结构、底座以及连接镜面支撑结构和底座的万向柔性铰支撑，还包括固定在镜面支撑结构和底座之间关于万向柔性铰支撑呈对称分布的四个正应力电磁作动器，四个正应力电磁作动器底部固定在底座上，顶部通过作动杆与杆式位移放大机构连接，杆式位移放大机构与镜面支撑结构通过直梁型柔性铰链连接；所述四个正应力电磁作动器结构尺寸相同，包括固定铁芯，永磁铁，励磁线圈，运动铁芯；四个正应力电磁作动器分别通过其杆式位移放大机构与镜面支撑结构采用直梁型柔性铰链连接；本发明还提供该快速偏转反射镜的作动方法，该作动机构具有较高的分辨率，并且还有结构紧凑，响应速度快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光束指向角度调节控制技术领域，具体涉及一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构及作动方法。
背景技术
随着空间激光通信技术的发展，光束指向角度调节机构在空间激光通信中的应用越来越广泛，目前大多数的光束指向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安培力推动镜面结构，其特点是驱动力大，功耗小，角度调节范围大，但是受结构支撑刚度的限制，频带范围小，且控制电流随调节角度范围的增大而增大，发热严重，影响整体***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正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构及作动方法，该机构结构紧凑，具有较高的频带范围，较大的偏转角度调节范围。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，包括镜面支撑结构6、底座7以及连接镜面支撑结构6和底座7的万向柔性铰支撑16，还包括固定在镜面支撑结构6和底座7之间关于万向柔性铰支撑16呈对称分布的四个正应力电磁作动器以及固定在镜面支撑结构6和底座7之间用于检测镜面支撑结构6偏转角度的电容式位移传感器5，四个正应力电磁作动器分别为第一正应力电磁作动器1、第二正应力电磁作动器2、第三正应力电磁作动器3和第四正应力电磁作动器4，四个正应力电磁作动器底部通过螺栓固定在底座7上，四个正应力电磁作动器顶部通过作动杆10与杆式位移放大机构9连接，杆式位移放大机构9与镜面支撑结构6通过直梁型柔性铰链8连接。
所述第一正应力电磁作动器1包括C形固定铁芯11、永磁铁12、励磁线圈13和运动铁芯14；励磁线圈13缠绕在C形固定铁芯11的上下两侧，永磁铁12连接在C形固定铁芯11中部，运动铁芯14与永磁铁12通过硅胶垫片粘连后位于C形固定铁芯11的开口处，并与C形固定铁芯11开口处两端构成气隙15；所述第二正应力电磁作动器2、第三正应力电磁作动器3和第四正应力电磁作动器4的结构尺寸与第一正应力电磁作动器1相同，所述第一正应力电磁作动器1和第三正应力电磁作动器3关于Y转动轴对称并绕X轴转动，第二正应力电磁作动器2和第四正应力电磁作动器4关于X转动轴对称并绕Y轴转动，所述X转动轴和Y转动轴相互垂直并在同一平面内；作动杆10与运动铁芯14通过橡胶垫块(17)连接，作动杆10顶部与杆式位移放大机构9连接。
所述运动铁芯14采用软磁材料。
所述镜面支撑结构6、直梁型柔性铰链8、杆式位移放大机构9和作动杆10采用硬铝合金材料。
所述C形固定铁芯11嵌于中空矩形外壳内部。
所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构的作动方法，给第一正应力电磁作动器1输入电流信号，通电的励磁线圈13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13产生的励磁磁场叠加到永磁铁12产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯11与运动铁芯14之间的气隙15作用到运动铁芯14上；当励磁磁场与直流偏置磁场的方向相同时，运动铁芯14就会受到与励磁磁场方向一致的电磁正应力，并沿气隙15法向方向运动，产生作动位移；该作动位移沿作动杆10输出到杆式位移放大机构9，与杆式位移放大机构9通过直梁型柔性铰链8相连接的镜面支撑结构6会产生偏转；电容式位移传感器5实时监测镜面支撑结构6的偏转角度，并反馈给正应力电磁作动器，实现闭环控制，提高镜面支撑结构6的偏转角度调节精度；由于正应力电磁作动器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可以达到微弧度级；两组对角分布的正应力电磁作动器同时沿相反方向作动，实现反射镜二维正交方向的微角度偏转控制。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明中，采用正应力电磁驱动方式，相比音圈电机驱动方式，利用磁场叠加，使运动部件产生轴向运动，驱动力大，发热量少，频带范围大。
2)本发明中，采用正应力电磁驱动方式，相比压电作动器驱动方式，功耗较低，响应速度快。
附图说明
图1为本发明快速偏转反射镜作动机构示意图。
图2为本发明正应力电磁作动器结构示意图。
图3为本发明快速偏转反射镜作动机构剖视图。
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，本发明一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，包括镜面支撑结构6、底座7以及连接镜面支撑结构6和底座7的万向柔性铰支撑16，还包括固定在镜面支撑结构6和底座7之间关于万向柔性铰支撑16呈对称分布的四个正应力电磁作动器以及固定在镜面支撑结构6和底座7之间用于检测镜面支撑结构6偏转角度的电容式位移传感器5，四个正应力电磁作动器分别为第一正应力电磁作动器1、第二正应力电磁作动器2、第三正应力电磁作动器3和第四正应力电磁作动器4，四个正应力电磁作动器底部通过螺栓固定在底座7上，四个正应力电磁作动器顶部通过作动杆10与杆式位移放大机构9连接，杆式位移放大机构9与镜面支撑结构6通过直梁型柔性铰链8连接。
作为本发明的优选实施方式，所述第一正应力电磁作动器1包括C形固定铁芯11、永磁铁12、励磁线圈13和运动铁芯14；励磁线圈13缠绕在C形固定铁芯11的上下两侧，永磁铁12连接在C形固定铁芯11中部，运动铁芯14与永磁铁12通过硅胶垫片粘连后位于C形固定铁芯11的开口处，并与C形固定铁芯11开口处两端构成气隙15；所述第二正应力电磁作动器2、第三正应力电磁作动器3和第四正应力电磁作动器4的结构尺寸与第一正应力电磁作动器1相同，所述第一正应力电磁作动器1和第三正应力电磁作动器3关于Y转动轴对称并绕X轴转动，第二正应力电磁作动器2和第四正应力电磁作动器4关于X转动轴对称并绕Y轴转动，所述X转动轴和Y转动轴相互垂直并在同一平面内；作动杆10与运动铁芯14通过橡胶垫块17连接，作动杆10顶部与杆式位移放大机构9连接。
镜面支撑结构6与底座7通过万向柔性铰支撑16连接，四个正应力电磁作动器安装在底座2上，并且关于万向柔性铰支撑16对称，呈对角两两分布。对角分布的两个正应力电磁作动器沿作动杆10的轴向输出方向相反的驱动力，从而产生弯矩，使得镜面支撑结构6沿另一轴线偏转一定的角度。在底座7与镜面支撑结构6之间安装有电容式位移传感器5，电容式位移传感器5通过螺栓固定在底座7上，用于检测镜面支撑结构6的偏转角度，并反馈给作动器，从而构成位移闭环反馈控制，提高快速偏转反射镜的角度调节精度。
如图2所示，所述第一正应力电磁作动器1包括C形固定铁芯11嵌于中空矩形外壳内部，永磁铁12安装在C形固定铁芯11的中部。C形固定铁芯11的上端和下端缠绕有励磁线圈13，运动铁芯14与永磁铁12连接，运动铁芯14的顶部与底部分别于C形固定铁芯11伸出端的下部和上部相对应，构成气隙15。永磁铁12产生直流偏置磁场，该磁场沿永磁铁12，运动铁芯14，气隙15，C形固定铁芯11构成直流偏置磁路。给励磁线圈13通电，产生励磁磁场，该磁场沿励磁线圈13、C形固定铁芯11、气隙15、运动铁芯14、永磁铁12、C形固定铁芯11构成励磁磁路。励磁磁场与直流偏执磁场相叠加，产生电磁正应力，该正应力方向与磁路方向一致，驱动运动铁芯14沿气隙15法向产生作动位移，改变励磁线圈13通电电流的方向，电磁正应力也随之改变方向，与运动铁芯14相连接的作动杆10会沿竖直方向上下运动，该运动会传递到镜面支撑结构6，当对角两个正应力电磁作动器协同作动，可推动镜面支撑结构6沿另一对角方向偏转。
作为本发明的优选实施方式，所述镜面支撑结构6、直梁型柔性铰8、作动杆10和杆式位移放大机构9均采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式，所述运动铁芯14采用软磁材料。
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：给第一正应力电磁作动器1输入电流信号，通电的励磁线圈13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13产生的励磁磁场叠加到永磁铁12产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯11与运动铁芯14之间的气隙15作用到运动铁芯14上；当励磁磁场与直流偏置磁场的方向相同时，运动铁芯14就会受到与励磁磁场方向一致的电磁正应力，并沿气隙15法向方向运动，产生作动位移；该作动位移沿作动杆10输出到杆式位移放大机构9，与杆式位移放大机构9通过直梁型柔性铰链8相连接的镜面支撑结构6会产生偏转；电容式位移传感器5实时监测镜面支撑结构6的偏转角度，并反馈给正应力电磁作动器，实现闭环控制，提高镜面支撑结构6的偏转角度调节精度；由于正应力电磁作动器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可以达到微弧度级；两组对角分布的正应力电磁作动器同时沿相反方向作动，实现反射镜二维正交方向的微角度偏转控制。
Claims (6)
1.一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，其特征在于：包括镜面支撑结构(6)、底座(7)以及连接镜面支撑结构(6)和底座(7)的万向柔性铰支撑(16)，还包括固定在镜面支撑结构(6)和底座(7)之间关于万向柔性铰支撑(16)呈对称分布的四个正应力电磁作动器以及固定在镜面支撑结构(6)和底座(7)之间用于检测镜面支撑结构(6)偏转角度的电容式位移传感器(5)，四个正应力电磁作动器分别为第一正应力电磁作动器(1)、第二正应力电磁作动器(2)、第三正应力电磁作动器(3)和第四正应力电磁作动器(4)，四个正应力电磁作动器底部通过螺栓固定在底座(7)上，四个正应力电磁作动器顶部通过作动杆(10)与杆式位移放大机构(9)连接，杆式位移放大机构(9)与镜面支撑结构(6)通过直梁型柔性铰链(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，其特征在于：所述第一正应力电磁作动器(1)包括C形固定铁芯(11)、永磁铁(12)、励磁线圈(13)和运动铁芯(14)；励磁线圈(13)缠绕在C形固定铁芯(11)的上下两侧，永磁铁(12)连接在C形固定铁芯(11)中部，运动铁芯(14)与永磁铁(12)通过硅胶垫片粘连后位于C形固定铁芯(11)的开口处，并与C形固定铁芯(11)开口处两端构成气隙(15)；所述第二正应力电磁作动器(2)、第三正应力电磁作动器(3)和第四正应力电磁作动器(4)的结构尺寸与第一正应力电磁作动器(1)相同，所述第一正应力电磁作动器(1)和第三正应力电磁作动器(3)关于Y转动轴对称并绕X轴转动，第二正应力电磁作动器(2)和第四正应力电磁作动器(4)关于X转动轴对称并绕Y轴转动，所述X转动轴和Y转动轴相互垂直并在同一平面内；作动杆(10)与运动铁芯(14)通过橡胶垫块(17)连接，作动杆(10)顶部与杆式位移放大机构(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，其特征在于：所述运动铁芯(14)采用软磁材料。
4.根据权利要求1所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，其特征在于：所述镜面支撑结构(6)、直梁型柔性铰链(8)、杆式位移放大机构(9)和作动杆(10)采用硬铝合金材料。
5.根据权利要求1所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构，其特征在于：所述C形固定铁芯(11)嵌于中空矩形外壳内部。
6.权利要求1至5任一项所述的一种正应力电磁驱动的快速偏转反射镜作动机构的作动方法，其特征在于：给第一正应力电磁作动器(1)输入电流信号，通电的励磁线圈(13)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(13)产生的励磁磁场叠加到永磁铁(12)产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯(11)与运动铁芯(14)之间的气隙(15)作用到运动铁芯(14)上；当励磁磁场与直流偏置磁场的方向相同时，运动铁芯(14)就会受到与励磁磁场方向一致的电磁正应力，并沿气隙(15)法向方向运动，产生作动位移；该作动位移沿作动杆(10)输出到杆式位移放大机构(9)，与杆式位移放大机构(9)通过直梁型柔性铰链(8)相连接的镜面支撑结构(6)会产生偏转；电容式位移传感器(5)实时监测镜面支撑结构(6)的偏转角度，并反馈给正应力电磁作动器，实现闭环控制，提高镜面支撑结构(6)的偏转角度调节精度；由于正应力电磁作动器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可以达到微弧度级；两组对角分布的正应力电磁作动器同时沿相反方向作动，实现反射镜二维正交方向的微角度偏转控制。
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