RU208441U1

RU208441U1 - Optical deflector

Info

Publication number: RU208441U1
Application number: RU2021123750U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Жаров; Алексей Алексеевич Аксенов; Андрей Игоревич Гришин; Алексей Иванович Чвала; Дмитрий Александрович Хомяков
Original assignee: Акционерное общество "Конструкторское бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана"
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2021-12-17

Abstract

Полезная модель относится к оптике, в частности к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве, например, лазерного дальномера. Оптический дефлектор, содержащий корпус, в полости которого размещены зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качания через держатель зеркала и ось качания, совпадающую с главной осью инерции, и две катушки индуктивности, расположенные на диэлектрическом конусообразном основании по обе стороны от оси качания, на нижней плоскости держателя зеркала на равноудаленном расстоянии от оси качания закреплены два постоянных магнита с вертикальной поляризацией с обеспечением возможности поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов в центральные отверстия катушек индуктивности с минимальным зазором, схема управления приводом держателя зеркала содержит датчик положения с дифференциальной емкостной парой, и микропроцессорный блок управления, выход которого соединен с двумя последовательно встречно направленными катушками индуктивности.Исполнительный привод включает два постоянных магнита и две катушки индуктивности, обратная связь по положению обеспечивается за счет дифференциального емкостного датчика положения и микропроцессорного блока управления. Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия при отработке углов отклонения зеркала. Фиг. 1.The utility model relates to optics, in particular to optical information-measuring systems, and can be used in systems for controlling the position of a beam in space, for example, a laser rangefinder. An optical deflector containing a housing, in the cavity of which a mirror is placed, connected to the housing with the possibility of swinging through the mirror holder and the swing axis coinciding with the main axis of inertia, and two inductance coils located on a dielectric cone-shaped base on both sides of the swing axis, on the bottom plane of the mirror holder at an equidistant distance from the axis of swing, two permanent magnets with vertical polarization are fixed to allow the moving part of the optical deflector to rotate at a small angle and the permanent magnets to enter the central holes of the inductors with a minimum gap, the control circuit for the mirror holder drive contains a position sensor with a differential capacitive pair, and a microprocessor control unit, the output of which is connected to two series oppositely directed inductors. The actuator includes two permanent magnets and two inductors, position feedback provided by a differential capacitive position sensor and a microprocessor control unit. The technical result consists in increasing the accuracy and speed when working out the deflection angles of the mirror. Fig. one.

Description

Полезная модель относится к оптике, в частности, к оптическим информационно-измерительным системам, и может найти применение в системах управления положением луча в пространстве, например, лазерного дальномера.The utility model relates to optics, in particular, to optical information-measuring systems, and can be used in systems for controlling the position of a beam in space, for example, a laser rangefinder.

Технической проблемой при создании оптических дефлекторов с электромагнитным приводом является обеспечение высокой точности и высокого быстродействия отработки задаваемых углов поворота и сканирования зеркала.A technical problem in the creation of optical deflectors with an electromagnetic drive is to ensure high accuracy and high speed of working out the specified angles of rotation and scanning of the mirror.

Известно устройство для пространственного отклонения луча [Патент РФ №2205439, МПК G02F 1/29], содержащее корпус, в котором установлено зеркало в упругом подвесе, исполнительный привод, включающий магнитные системы и катушки.Known device for spatial deflection of the beam [RF Patent No. 2205439, IPC G02F 1/29], containing a housing in which a mirror is installed in an elastic suspension, an actuator, including magnetic systems and coils.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность при отработке углов отклонения зеркала из-за отсутствия цепи обратной связи в системе управления зеркалом, а также большая масса и габариты подвижной части устройства.The disadvantage of such a device is the low accuracy when working out the angles of deflection of the mirror due to the absence of a feedback circuit in the mirror control system, as well as the large mass and dimensions of the moving part of the device.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является оптический дефлектор луча [Патент на изобретение SU 1674048, МПК G02B 26/10], содержащий корпус, в полости которого размещены две катушки индуктивности, зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качения через держатель зеркала и ось вращения, совпадающую с главной осью инерции, отличающийся тем, что корпус выполнен из диэлектрического неферромагнитного материала, а держатель зеркала выполнен из электро-проводного неферромагнитного материала, при этом катушки выполнены в виде полуколец и расположены по обе стороны от оси качения, а плоскости катушек развернуты относительно оси качения. Данный патент выбран в качестве прототипа.The closest in technical essence to the proposed device is an optical beam deflector [Patent for invention SU 1674048, IPC G02B 26/10], containing a housing in the cavity of which there are two inductance coils, a mirror connected to the housing with the possibility of rolling through the mirror holder and the axis of rotation coinciding with the main axis of inertia, characterized in that the body is made of a dielectric non-ferromagnetic material, and the mirror holder is made of an electro-conductive non-ferromagnetic material, while the coils are made in the form of half rings and are located on both sides of the rolling axis, and the plane of the coils deployed relative to the rolling axis. This patent is selected as a prototype.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность и быстродействие при отработке заданных углов отклонения зеркала в следящем режиме.The disadvantage of such a device is the low accuracy and speed when working out the specified angles of deflection of the mirror in the tracking mode.

Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и быстродействия при отработке углов отклонения зеркала оптического дефлектора.The objective of this utility model is to improve the accuracy and speed of response when working out the deflection angles of the optical deflector mirror.

Технический результат получен за счет того, что в оптический дефлектор, содержащий корпус, в полости которого размещены зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качения через держатель зеркала и ось качания, совпадающую с главной осью инерции, и две катушки индуктивности, при этом держатель зеркала выполнен из электропроводного неферромагнитного материала, а катушки расположены на диэлектрическом конусообразном основании по обе стороны от оси качания и плоскости катушек развернуты относительно оси качания, отличающийся тем, что на нижней плоскости держателя зеркала на равноудаленном расстоянии от оси качания закреплены два постоянных магнита с вертикальной поляризацией с обеспечением возможности поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов в центральные отверстия катушек индуктивности с минимальным зазором, схема управления приводом держателя содержит датчик положения и микропроцессорный блок управления, выход которого соединен с двумя последовательно включенными встречно направленными катушками индуктивности.The technical result is obtained due to the fact that in an optical deflector containing a body, in the cavity of which a mirror is placed, connected to the body with the possibility of rolling through the mirror holder and a swing axis coinciding with the main axis of inertia, and two inductance coils, while the mirror holder is made made of an electrically conductive non-ferromagnetic material, and the coils are located on a dielectric cone-shaped base on both sides of the swing axis and the plane of the coils are deployed relative to the swing axis, characterized in that two permanent magnets with vertical polarization are fixed on the lower plane of the mirror holder at an equidistant distance from the swing axis to ensure the possibility of turning the movable part of the optical deflector at a small angle and the entry of permanent magnets into the central holes of the inductance coils with a minimum gap, the control circuit of the holder drive contains a position sensor and a microprocessor control unit, the output of which is connected to by means of series-connected counter-directional inductors.

Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.The essence of the utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1, fig. 2 and FIG. 3.

На фиг. 1 показана конструкция оптического дефлектора с дифференциальным емкостным датчиком положения; на фиг. 2 - чертеж печатных плат дифференциального емкостного датчика положения; на фиг. 3 - электрическая схема блока управления приводом оптического дефлектора:FIG. 1 shows the design of an optical deflector with a differential capacitive position sensor; in fig. 2 is a drawing of printed circuit boards of a differential capacitive position sensor; in fig. 3 - electrical diagram of the optical deflector drive control unit:

1 - держатель (корпус, оправка) зеркала;1 - mirror holder (body, mandrel);

2 - зеркало;2 - mirror;

3 - корпус дефлектора;3 - deflector body;

4 - ось качания;4 - swing axis;

5 - постоянные магниты с вертикальной поляризацией;5 - permanent magnets with vertical polarization;

6 - конусообразное основание корпуса;6 - conical base of the body;

7 и 8 - катушки управления приводом держателя зеркала;7 and 8 - coils for controlling the drive of the mirror holder;

9 и 10 - печатные платы дифференциального емкостного датчика наклона;9 and 10 - printed circuit boards of the differential capacitive tilt sensor;

11 - преобразователь «емкость-напряжение» датчика наклона;11 - capacitance-voltage converter of the tilt sensor;

12 - управляющий микроконтроллер (CPU);12 - control microcontroller (CPU);

13 - канал обмена RS-485;13 - RS-485 exchange channel;

14 - мостовой усилитель мощности широтно-импульсного модулятора УМ ШИМ;14 - bridge power amplifier of the pulse-width modulator UM PWM;

Подвижная часть оптического дефлектора состоит из держателя 1 зеркала, представляющего собой оправку из алюминиевого сплава, в которой закреплено зеркало 2. Оправка держателя 1 способна вращаться на подшипниках в корпусе 3 посредством оси 4. На нижней плоскости держателя 1 на равноудаленном расстоянии от оси 4 закреплены два постоянных магнита 5 с вертикальной поляризацией. Ось качания 4 подвижной части держателя 1 зеркала 2 параллельна отражающей поверхности зеркала 2 и совпадает с главной осью инерции подвижной части. К корпусу 3 прикреплено конусообразное основание 6 из диэлектрического неферромагнитного материала, в котором размещены две плоские катушки управления 7 и 8, расположенные на равноудаленном расстоянии по разные стороны от оси 4, лежащие в плоскостях, параллельных оси качания 4 и повернутые друг относительно друга на угол, соответствующий рабочему углу оптического дефлектора, с тем, чтобы обеспечить возможность поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов 5 в центральные отверстия катушек 7 и 8 с минимальным зазором.The movable part of the optical deflector consists of a mirror holder 1, which is a frame made of aluminum alloy, in which a mirror is fixed 2. The holder of the holder 1 is able to rotate on bearings in the housing 3 by means of the axis 4. On the lower plane of the holder 1, at an equidistant distance from the axis 4, two permanent magnet 5 with vertical polarization. The swing axis 4 of the movable part of the holder 1 of the mirror 2 is parallel to the reflecting surface of the mirror 2 and coincides with the main axis of inertia of the movable part. A conical base 6 of dielectric non-ferromagnetic material is attached to the body 3, in which there are two flat control coils 7 and 8, located at an equidistant distance on opposite sides of the axis 4, lying in planes parallel to the swing axis 4 and rotated relative to each other at an angle, corresponding to the working angle of the optical deflector, in order to ensure that the movable part of the optical deflector can be rotated at a small angle and the permanent magnets 5 enter the central holes of the coils 7 and 8 with a minimum gap.

На основании 6 также расположен датчик положения, например емкостной, содержащий две печатные платы 9 и 10 дифференциального емкостного датчика положения. Возможная конструкция печатных плат дифференциального измерительного емкостного элемента представлена на чертеже фиг. 2.A position sensor is also located on the base 6, for example a capacitive one, containing two printed circuit boards 9 and 10 of a differential capacitive position sensor. A possible design of printed circuit boards of the differential measuring capacitive element is shown in FIG. 2.

Электрическая схема управления приводом сканирования подвижной части оптического дефлектора (фиг. 3) содержит датчик положения, образованный дифференциальным емкостным элементом на печатных платах 9 и 10 и преобразователем «емкость-напряжение» 11. Блок управления приводом содержит микроконтроллер 12 (МК CPU) со встроенными модулями аналого-цифрового преобразователя (АЦП), широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и последовательного канала обмена RS-485 13, и полномостового усилителя мощности (УМ) 14. Управляющие катушки 7 и 8 соединены встречно-последовательно и подключены на выход полномостового УМ.The electrical circuit for controlling the scanning drive of the moving part of the optical deflector (Fig. 3) contains a position sensor formed by a differential capacitive element on printed circuit boards 9 and 10 and a capacitance-voltage converter 11. The drive control unit contains a microcontroller 12 (MC CPU) with built-in modules analog-to-digital converter (ADC), pulse-width modulator (PWM) and serial communication channel RS-485 13, and full-bridge power amplifier (PA) 14. Control coils 7 and 8 are connected in anti-series and connected to the output of the full-bridge PA.

Предложенный оптический дефлектор работает следующим образом.The proposed optical deflector operates as follows.

Угловое перемещение (качание) корпуса держателя зеркала обеспечивается за счет взаимодействия электромагнитного поля катушек 7 и 8 с магнитным полем постоянных магнитов 5. Катушки управления 7 и 8 включены встречно, в результате чего при прохождении тока в катушках один из постоянных магнитов 5 втягивается центральное отверстие катушки, а второй выталкивается, за счет чего обеспечивается удвоенный вращающий момент. Текущее угловое положение корпуса держателя отслеживается датчиком положения, в качестве которого используется дифференциальный емкостной датчик, содержащий две печатные платы 9 и 10, и преобразователь «емкость-напряжение» 11. При наклоне электропроводного немагнитного корпуса держателя зеркала за счет электростатического взаимодействия в зависимости от направления и угла наклона корпусом держателя изменяется взаимная емкость измерительных конденсаторов С1 и С2, образующих дифференциальную измерительную пару 9 и 10. Преобразователь «емкость-напряжение» 11 преобразует разность емкостей в напряжение, пропорциональное углу наклона плоскости корпуса держателя зеркала. Значение напряжения, пропорциональное углу наклона, поступает на встроенный АЦП управляющего микроконтроллера 12 и сравнивается с заданным значением угла наклона, поступающим по последовательному каналу обмена RS-485 13. По результатам сравнения вычисляется разностный сигнал ошибки и формируется управляющий ШИМ сигнал, который через полномостовой усилитель мощности 14 поступает на обмотки катушек управления 7 и 8.The angular movement (swinging) of the mirror holder body is provided due to the interaction of the electromagnetic field of the coils 7 and 8 with the magnetic field of the permanent magnets 5. The control coils 7 and 8 are turned on oppositely, as a result of which, when the current flows in the coils, one of the permanent magnets 5 is drawn into the central hole of the coil , and the second is pushed out, due to which double the torque is provided. The current angular position of the holder body is monitored by a position sensor, which is a differential capacitive sensor containing two printed circuit boards 9 and 10, and a capacitance-voltage converter 11. When the electrically conductive non-magnetic body of the mirror holder is tilted due to electrostatic interaction depending on the direction and the angle of inclination by the holder body changes the mutual capacitance of the measuring capacitors C1 and C2, forming the differential measuring pair 9 and 10. The capacitance-voltage converter 11 converts the capacitance difference into a voltage proportional to the angle of inclination of the plane of the mirror holder body. The voltage value proportional to the tilt angle is fed to the built-in ADC of the control microcontroller 12 and is compared with the specified tilt angle value supplied via the RS-485 serial communication channel. 14 goes to the windings of the control coils 7 and 8.

Исполнительный привод включает два постоянных магнита и две катушки индуктивности, обратная связь по положению обеспечивается за счет дифференциального емкостного датчика положения и микропроцессорного блока управления.The actuator includes two permanent magnets and two inductors, position feedback is provided by a differential capacitive position sensor and a microprocessor control unit.

Технический результат заключается в повышении точности и быстродействия при отработке углов отклонения зеркала.The technical result consists in increasing the accuracy and performance when working out the angles of deflection of the mirror.

Предлагаемый оптический дефлектор может работать как в режиме установки луча на заданные углы, так и в режиме сканирования. В первом случае дефлектор работает под управлением внешних команд, поступающих поступающим по последовательному каналу обмена RS-485. В режиме сканирования дефлектор обеспечивает колебание луча по программе, внесенной во внутреннее постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) микроконтроллера 12.The proposed optical deflector can operate both in the mode of setting the beam at specified angles and in the scanning mode. In the first case, the deflector operates under the control of external commands arriving via the RS-485 serial communication channel. In the scanning mode, the deflector provides oscillation of the beam according to the program entered into the internal read-only memory (PROM) of the microcontroller 12.

Постоянные магниты могут быть применены, например, редкоземельные, плоские катушки индуктивности могут выполняться на оправке с использованием самоспекающейся изоляции провода. Дифференциальная емкостная пара изготавливается методом печатного монтажа, например, на фольгированном стеклотекстолите. Преобразователь «емкость-напряжение» может быть выполнен на серийной микросхеме, например, типа 5201ТК015. Микропроцессорный блок управления может быть выполнен на серийном микроконтроллере, например, 32-разрядном типа 1921ВК035. Полномостовой усилитель мощности может быть выполнен на силовых MOSFET-транзисторах, например, на транзисторных сборках 2П7247БР9.Permanent magnets can be applied, for example, rare earth, flat inductors can be made on a mandrel using self-sintered wire insulation. The differential capacitive pair is manufactured by means of printed wiring, for example, on foil-clad fiberglass. The "capacitance-voltage" converter can be made on a serial microcircuit, for example, type 5201TK015. The microprocessor control unit can be executed on a serial microcontroller, for example, a 32-bit type 1921BK035. A full-bridge power amplifier can be made on power MOSFET transistors, for example, on transistor assemblies 2P7247BR9.

Заявленный оптический дефлектор позволяет повысить точность и быстродействие оптического дефлектора при отработке углов отклонения зеркала за счет обратной связи по положению, а также обеспечить различные режимы управления за счет модификации программного обеспечения микроконтроллера.The claimed optical deflector improves the accuracy and speed of the optical deflector when working out the angles of deflection of the mirror due to position feedback, as well as provide various control modes by modifying the microcontroller software.

Claims

1. Оптический дефлектор, содержащий корпус, в полости которого размещены зеркало, соединенное с корпусом с возможностью качания через держатель зеркала, и ось качания, совпадающую с главной осью инерции, и две катушки индуктивности, при этом держатель зеркала выполнен из электропроводного неферромагнитного материала, а катушки расположены на диэлектрическом конусообразном основании по обе стороны от оси качания, и плоскости катушек развернуты относительно оси качания, отличающийся тем, что на нижней плоскости держателя зеркала на равноудаленном расстоянии от оси качания закреплены два постоянных магнита с вертикальной поляризацией с обеспечением возможности поворота подвижной части оптического дефлектора на малый угол и вхождения постоянных магнитов в центральные отверстия катушек индуктивности с минимальным зазором, схема управления приводом держателя содержит датчик положения и микропроцессорный блок управления, выход которого соединен с двумя последовательно встречно направленными катушками индуктивности.1. An optical deflector containing a housing in a cavity of which a mirror is located, connected to the housing with the ability to swing through the mirror holder, and a swing axis coinciding with the main axis of inertia, and two inductors, while the mirror holder is made of an electrically conductive non-ferromagnetic material, and the coils are located on a dielectric cone-shaped base on both sides of the swing axis, and the planes of the coils are deployed relative to the swing axis, characterized in that two permanent magnets with vertical polarization are fixed on the lower plane of the mirror holder at an equidistant distance from the swing axis, so that the movable part of the optical deflector at a small angle and the entry of permanent magnets into the central holes of the inductance coils with a minimum gap, the holder drive control circuit contains a position sensor and a microprocessor control unit, the output of which is connected to two sequentially oppositely directed to with inductors.

2. Оптический дефлектор по п. 1, отличающийся тем, что датчик положения содержит дифференциальную емкостную пару на двух печатных платах, расположенных на конусообразном основании по обе стороны от оси качания, и преобразователь «емкость-напряжение», а микропроцессорный блок управления содержит микроконтроллер со встроенным модулями АЦП, ШИМ-формирователя и последовательного канала обмена RS-485, и полномостовой усилитель мощности.2. Optical deflector according to claim 1, characterized in that the position sensor contains a differential capacitive pair on two printed circuit boards located on a tapered base on both sides of the swing axis, and a capacitance-voltage converter, and the microprocessor control unit contains a microcontroller with built-in ADC modules, PWM driver and RS-485 serial communication channel, and a full-bridge power amplifier.