CN115728936B - 基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法，该调节机构包括反射镜、集镜托和刚度导向机构于一体的外壳、底座、上下导磁片、永磁体、中心导磁杆、四个水平对称布置的具有相同结构的电磁驱动单元以及柔性虎克铰链；电磁驱动单元包括导磁杆和线圈；导磁杆顶端与上导磁片间形成工作气隙；永磁体产生静态对称磁通与励磁线圈通电产生的励磁磁通叠加，在工作气隙中产生电磁力，改变励磁线圈的通电方式，使得四组电磁驱动单元协同工作，两两一组正交排布形成电磁转矩并作用到上导磁片上，使上导磁片绕x轴、y轴偏转，实现反射镜绕x轴、y轴方向的两个转动自由度。本发明的二自由度快速控制反射镜结构简单、便与加工、高精度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微位移精密调节作动技术领域，具体涉及一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法。
背景技术
快速反射镜是精密跟踪***中非常重要的核心器件，用于精确控制光束方向。快反镜响应速度快，控制精度高，分辨率高。可以用来校正光路中的倾斜误差，也可以用来稳定光束的指向，在自适应光学、激光通讯、图像稳定、精密跟踪、光束控制以及目标指向等领域得到了广泛的应用。快反镜在驱动元件作用下控制反射镜面的高频快速转动，实现光束的高速精确指向、稳定和跟踪。目前市面上快反镜的驱动元件主要有压电陶瓷和音圈电机两种，压电陶瓷的行程较小，一般只有十几到几十微米，驱动电压却需要几百伏，而且容易破坏；音圈电机驱动方式响应速度快，工作行程长，但是此类结构易受到结构刚度的限制，***的基频较低，且随着结构刚度的增大，音圈电机的控制电流相应也会提高，发热量随之增大。因此需要一种高精度、体积小、可靠性好的驱动方式和机构。
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基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法，相比音圈电机驱动，驱动力大，发热量小，结构紧凑，具有更宽的工作带宽；相比压电驱动方式，输出位移大，功耗低，更为可靠。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，其特征在于：包括反射镜1、集镜托、簧片于一体的外壳2、上导磁片3、柔性虎克铰链4、中心导磁杆5、永磁体6、两两一组正交排布的相同结构的电磁驱动单元7、下导磁片8以及底座9；反射镜1固定在外壳2上，外壳2通过螺栓与柔性虎克铰链4固连，上导磁片3置于外壳2与柔性虎克铰链4之间，在螺栓通过位置处留有过孔，柔性虎克铰链4采用螺栓与底座9固连，下导磁片8置于柔性虎克铰链4与底座9之间，在螺栓通过位置留有过孔，底座9与外壳2通过螺栓固连，外壳2置于底座9上方；下导磁片8中间留有凹槽，用于放置永磁体6，中心导磁杆5位于永磁体6上方，中心导磁杆5底端带有螺纹，与下导磁片8通过螺纹固接，永磁体6置于中心导磁杆5与下导磁片8之间，中间留有通孔，中心导磁杆5与上导磁片3中间形成气隙10；下导磁片8外圈留有四个两两一组正交排布的通孔，用于安装电磁驱动单元7，电磁驱动单元7与底座9通过螺栓固连，下导磁片8置于电磁驱动单元7与底座9之间；外壳2的刚度导向机构与柔性虎克铰链4沿反射镜1的x轴和y轴方向提供转动刚度，使得反射镜1仅可以实现绕x轴和y轴的两个旋转自由度；同时在Z轴方提供约束刚度，限制反射镜1的平动自由度；
四个所述电磁驱动单元结构相同，每个电磁驱动单元包括导磁杆7-1和励磁线圈7-2；励磁线圈7-2缠绕在导磁杆7-1上下两个卡片之间，上侧卡片开有线槽；导磁杆7-1顶端与上导磁片3下平面凸台底面形成工作气隙11；上导磁片3、中心导磁杆5、下导磁片8、导磁杆7-1和工作气隙11组成磁通回路，永磁体6产生静态对称磁通，与励磁线圈7-2通电产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在上导磁片3和导磁杆7-1中间的工作气隙11中产生电磁正应力，改变励磁线圈7-2的通电方式，使得四组电磁驱动单元7协同工作，两两一组正交排布形成转矩并作用到上导磁片3上，使上导磁片3绕x轴、y轴转动，上导磁片3与外壳2固接，上导磁片的运动直接传递到外壳2，从而推动反射镜1，实现反射镜1绕x轴、y轴方向的两个转动自由度。
八个应变传感单元均布在柔性虎克铰链4的四个方向上，两两一组粘接在第一曲面12和第二曲面13上，实时检测反射镜1的转向角度并将其反馈给控制***，实现角度反馈控制和角度闭环控制。
所述外壳2、柔性虎克铰链4和底座9均采用钛合金材料。
所述永磁体6采用高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述上导磁片3、中心导磁杆5、下导磁片8和导磁杆7-1均采用高磁导率的软磁材料。
所述的一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构及控制方法，给同组的电磁驱动单元7的励磁线圈7-2输入相位相反的电流信号，通电的励磁线圈7-2产生励磁磁通，该励磁磁通方向随电流方向变化；励磁线圈7-2产生的动态励磁磁通叠加到永磁体6产生的静态对称磁通上，叠加磁通作用到上导磁片3上，并在上导磁片3上沿工作气隙11厚度方向产生电磁正应力，两两一组正交排布形成转矩并作用到上导磁片3上，使上导磁片3绕x轴、y轴转动，上导磁片3与外壳2固接，上导磁片的运动直接传递到外壳2，从而推动反射镜1，实现反射镜1绕x轴、y轴方向的两个转动自由度；八个应变传感单元实时检测反射镜1的转向角度。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明采用电磁力驱动方式实现调节机构的二自由度运动，驱动力大，结构刚度高，响应速度快，易于加工。
2)本发明电磁力驱动的二自由度调节机构，通过柔性铰链固连，使得电磁驱动单元产生的运动传递损耗小，无摩擦，运动精度高。传感测量单元与刚度导向机构一体化设计，提高装置稳定性，结构紧凑，空间利用率高。
附图说明
图1为本发明的***示图。
图2为本发明的半剖装配图。
图3为本发明的柔性虎克铰链的轴测图。
图4为本发明的磁通示意图。
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，一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，包括反射镜1、集镜托、簧片于一体的外壳2、上导磁片3、柔性虎克铰链4、中心导磁杆5、永磁体6、两两一组正交排布的相同结构的电磁驱动单元7、下导磁片8以及底座9；反射镜1固定在外壳2上，外壳2通过螺栓与柔性虎克铰链4固连，上导磁片3置于外壳2与柔性虎克铰链4之间，在螺栓通过位置处留有过孔，柔性虎克铰链4采用螺栓与底座9固连，下导磁片8置于柔性虎克铰链4与底座9之间，在螺栓通过位置留有过孔，底座9与外壳2通过螺栓固连，外壳2置于底座9上方；下导磁片8中间留有凹槽，用于放置永磁体6，中心导磁杆5位于永磁体6上方，中心导磁杆5底端带有螺纹，与下导磁片8通过螺纹固接，永磁体6置于中心导磁杆5与下导磁片8之间，中间留有通孔，中心导磁杆5与上导磁片3中间形成气隙10；下导磁片8外圈留有四个两两一组正交排布的通孔，用于安装电磁驱动单元7，电磁驱动单元7与底座9通过螺栓固连，下导磁片8置于电磁驱动单元7与底座9之间。外壳2的刚度导向机构与柔性虎克铰链4沿反射镜1的x轴和y轴方向提供转动刚度，使得反射镜1仅可以实现绕x轴和y轴的两个旋转自由度；同时在Z轴方提供约束刚度，限制反射镜1的平动自由度。
如图2所示，调节机构内部布置四个两两一组正交排布的电磁驱动单元，四个电磁驱动单元结构相同，每个电磁驱动单元包括导磁杆7-1和励磁线圈7-2；导磁杆7-1顶端与上导磁片3下平面凸台底面形成工作气隙11；上导磁片3、中心导磁杆5、下导磁片8、导磁杆7-1和工作气隙11组成磁通回路，永磁体6产生静态对称磁通，与励磁线圈7-2通电产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在上导磁片3和导磁杆7-1中间的工作气隙11中产生电磁正应力，改变励磁线圈7-2的通电方式，使得四组电磁驱动单元7协同工作，两两一组正交排布形成转矩并作用到上导磁片3上，使上导磁片3绕x轴、y轴转动，上导磁片3与外壳2固接，上导磁片的运动直接传递到外壳2，从而推动反射镜1，实现反射镜1绕x轴、y轴方向的两个转动自由度。
如图3所示，八个应变传感单元均布在柔性虎克铰链4的四个方向上，两两一组粘接在第一曲面12和第二曲面13上，实时检测反射镜1的转向角度。
作为本发明的优选实施方式，所述外壳2、柔性虎克铰链4和底座9均采用钛合金材料。
作为本发明的优选实施方式，所述所述永磁体6采用高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述上导磁片3、中心导磁杆5、下导磁片8和导磁杆7-1均采用高磁导率的软磁材料。
本发明的工作原理为：如图4所示，给x轴方向的电磁驱动单元a的励磁线圈7a-2和电磁驱动单元b的励磁线圈7b-2输入相位相反的电流信号，通电的励磁线圈7a-2和励磁线圈7b-2共同产生励磁磁通，该励磁磁通方向为逆时针方向；两个励磁线圈产生的动态励磁磁通叠加到永磁体6产生的静态对称磁通上，该静态对称磁通在电磁驱动单元a和电磁驱动单元b上方的工作气隙中方向都向下(-z)，叠加磁通作用到上导磁片3上，并在上导磁片3上沿工作气隙11厚度方向产生电磁正应力，此时电磁驱动单元a与电磁驱动单元b上方的工作气隙11中产生的电磁正应力方向都向下(-z)，并且电磁驱动单元b上方工作气隙11中的电磁正应力大于电磁驱动单元a上方工作气隙11中的电磁正应力，因此两个正应力形成一个顺时针转矩并作用到上导磁片3上，使上导磁片3绕y轴逆时针转动，上导磁片3与外壳2固接，上导磁片3的运动直接传递到外壳2，从而推动反射镜1，实现反射镜1绕y轴逆时针转动；若改变励磁线圈7a-2和励磁线圈7b-2的通电电流方向，反射镜1将绕y轴顺时针转动；同理控制y轴方向的两个电磁驱动单元可实现绕x轴顺时针或逆时针旋转。
本发明未详细公开技术属于本领域技术人员的公知常识。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所披露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，其特征在于：包括反射镜(1)、集镜托和刚度导向机构于一体的外壳(2)、上导磁片(3)、柔性虎克铰链(4)、中心导磁杆(5)、永磁体(6)、两两一组正交排布的相同结构的电磁驱动单元(7)、下导磁片(8)以及底座(9)；反射镜(1)固定在外壳(2)上，外壳(2)通过螺栓与柔性虎克铰链(4)固连，上导磁片(3)置于外壳(2)与柔性虎克铰链(4)之间，在螺栓通过位置处留有过孔，柔性虎克铰链(4)采用螺栓与底座(9)固连，下导磁片(8)置于柔性虎克铰链(4)与底座(9)之间，在螺栓通过位置留有过孔，底座(9)与外壳(2)通过螺栓固连，外壳(2)置于底座(9)上方；下导磁片(8)中间留有凹槽，用于放置永磁体(6)，中心导磁杆(5)位于永磁体(6)上方，中心导磁杆(5)底端带有螺纹，与下导磁片(8)通过螺纹固接，永磁体(6)置于中心导磁杆(5)与下导磁片(8)之间，中间留有通孔，中心导磁杆(5)与上导磁片(3)中间形成气隙(10)；下导磁片(8)外圈留有四个两两一组正交排布的通孔，用于安装电磁驱动单元(7)，电磁驱动单元(7)与底座(9)通过螺栓固连，下导磁片(8)置于电磁驱动单元(7)与底座(9)之间；外壳(2)的刚度导向机构与柔性虎克铰链(4)沿反射镜(1)的x轴和y轴方向提供转动刚度，使得反射镜(1)仅可以实现绕x轴和y轴的两个旋转自由度；同时在Z轴方提供约束刚度，限制反射镜(1)的平动自由度；
四个所述电磁驱动单元结构相同，每个电磁驱动单元包括导磁杆(7-1)和励磁线圈(7-2)；导磁杆(7-1)顶端与上导磁片(3)下平面凸台底面形成工作气隙(11)；上导磁片(3)、中心导磁杆(5)、下导磁片(8)、导磁杆(7-1)和工作气隙(11)组成磁通回路，永磁体(6)产生静态对称磁通，与励磁线圈(7-2)通电产生的动态励磁磁通叠加，该叠加磁通在上导磁片(3)和导磁杆(7-1)中间的工作气隙(11)中产生电磁力，改变励磁线圈(7-2)的通电方式，使得四组电磁驱动单元(7)协同工作，两两一组正交排布形成转矩并作用到上导磁片(3)上，使上导磁片(3)绕x轴、y轴转动，上导磁片(3)与外壳(2)固接，上导磁片的运动直接传递到外壳(2)，从而推动反射镜(1)，实现反射镜(1)绕x轴、y轴方向的两个偏摆运动；
反射镜位置检测***中的八个应变传感单元均布在柔性虎克铰链(4)的四个方向上，两两一组布置在第一曲面(12)和第二曲面(13)上，实时检测反射镜(1)的转向角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，其特征在于：所述外壳(2)、柔性虎克铰链(4)和底座(9)均采用钛合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，其特征在于：所述永磁体(6)采用高剩磁与矫顽力的钕铁硼材料；所述上导磁片(3)、中心导磁杆(5)、下导磁片(8)和导磁杆(7-1)均采用高磁导率的软磁材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构，其特征在于：所述固定用螺栓均采用非导磁材料。
5.权利要求1至4任一项所述的一种基于电磁正应力驱动的二自由度偏摆调节机构的控制方法，其特征在于：给同组的电磁驱动单元(7)的励磁线圈(7-2)输入相位相反的电流信号，通电的励磁线圈(7-2)产生励磁磁通，该励磁磁通方向随电流方向变化；励磁线圈(7-2)产生的动态励磁磁通叠加到永磁体(6)产生的静态对称磁通上，该叠加磁通作用到上导磁片(3)上，并在上导磁片(3)上沿工作气隙(11)的厚度方向产生电磁力，两两一组正交排布形成电磁转矩并作用到上导磁片(3)，使上导磁片(3)绕x轴、y轴转动，上导磁片(3)与外壳(2)固接，上导磁片(3)的运动直接传递到外壳(2)，从而推动反射镜(1)，实现反射镜(1)绕x轴、y轴方向的两个转动自由度；八个应变传感单元实时检测反射镜(1)的转向角度。
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