專利名稱：電磁加力器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對施加多少力進(jìn)行精確控制的加力裝置，具體地是指一種電磁加力器。
背景技術(shù)：
直線加力裝置在科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，然而很多自動(dòng)直線加力器是由旋轉(zhuǎn)機(jī)械經(jīng)過轉(zhuǎn)換而來，傳動(dòng)過程中精度難以保證；精度較高的通常是杠桿砝碼式的手動(dòng)裝置，自動(dòng)化程度低，加力過程難以控制，而且沖擊過載難以避免；液壓的設(shè)備，維護(hù)起來麻煩，通常設(shè)備整體笨重。
可用于制造磁功能器件的強(qiáng)磁性材料稱為磁性材料，他包括硬磁材料、軟磁材料、半硬磁材料、磁致伸縮材料、磁性液體等。他們通稱為磁功能材料、其中用量最大和用途最廣的是硬磁材料和軟磁材料。又因永磁體產(chǎn)生的磁場比線圈產(chǎn)生的磁場效果好，采用稀土永磁材料方案來制作器件能縮小體積，提高效率，改善性能，增加可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能夠精確計(jì)算對外施加力的一種電磁加力器。
本發(fā)明的電磁加力器，其由支撐架、拉壓力傳感器、加力器工作機(jī)構(gòu)和控制裝置組成，拉壓力傳感器安裝在加力器工作機(jī)構(gòu)承力座的輸出端上，拉壓力傳感器的導(dǎo)線和加力器工作機(jī)構(gòu)的線圈導(dǎo)線連接在控制裝置上，拉壓力傳感器、加力器工作機(jī)構(gòu)和控制裝置安裝在支撐架上。控制裝置包括顯示器、鍵盤、通訊串口以及DSP單元、信號(hào)調(diào)理電路和系統(tǒng)電源電路，加力器電源電路的硬件電路。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小，成本低，加力精確，穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是工作機(jī)構(gòu)的裝配圖。
圖3是支撐架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是工作機(jī)械、傳感器、控制裝置的連接示意圖。
圖5是DSP單元電路原理圖。
圖6是加力器電源電路原理圖。
圖7是信號(hào)采集放大電路、系統(tǒng)電源電路原理圖。
圖8是本發(fā)明的控制流程框圖。
圖中1.上蓋2.承力座3.外鐵筒4.鋁圈
5.螺釘 6.鋁圈附件7.杠桿 8.軸承 9.軸承座10.支承平臺(tái)11.螺釘 12.鐵芯13.鐵套A14.磁體A15.鐵套B 16.鐵套C 17.鐵套D 18.下蓋 19.墊圈20.螺母21.磁體B101.支撐架 102.工作機(jī)構(gòu) 103.拉壓力傳感器 104.控制裝置105.導(dǎo)線 106.線圈導(dǎo)線 107.連接件 108.上框架具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明是一種電磁加力器，是一種能夠精確控制電機(jī)輸出力的控制設(shè)備。由拉壓力傳感器103、加力器工作機(jī)構(gòu)102、控制裝置104、支撐架101組成，拉壓力傳感器103輸出端通過連接件107安裝在支撐架101的上框架108，拉力傳感器103另一端與加力器工作機(jī)構(gòu)102承力座2的輸出端連接，拉壓力傳感器103的導(dǎo)線105和加力器工作機(jī)構(gòu)102的線圈導(dǎo)線106連接在控制裝置104上。
在本發(fā)明中，控制裝置104上設(shè)有顯示器、鍵盤以及串口，其內(nèi)安裝有硬件電路，硬件電路由DSP單元、信號(hào)采集放大電路、系統(tǒng)電源、加力器供電系統(tǒng)。
Dsp控制系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，包括與上位機(jī)的通信；對可調(diào)加力器供電電源進(jìn)行程序控制，對從傳感器采集回來的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波分析及反饋處理；功能菜單和液晶顯示的程序控制。
電磁加力裝置供電電源系統(tǒng)通過一根數(shù)據(jù)線得到來自DSP控制系統(tǒng)的IO控制信號(hào)，得到的IO信號(hào)來控制一個(gè)DA芯片，DA芯片的輸出通過一個(gè)關(guān)于LM2576HVT-ADJ芯片的電壓調(diào)節(jié)電路對加力器供電系統(tǒng)得電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到DSP控制加力器供電電壓的作用。
電磁加力器被控對象通過給加力器電磁線圈通以電流，在永磁鐵的磁場作用下產(chǎn)生電磁力，從而給被加力部分加力。機(jī)構(gòu)部分包括四個(gè)部分磁路磁軛及磁鋼支架、線圈承載支架、力的放大輸出機(jī)構(gòu)和整體的支架。
拉壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。
信號(hào)采集放大電路將由傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，再傳給DSP控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。
鍵盤輸入一個(gè)4×4的鍵盤，由DSP控制系統(tǒng)中的鍵盤程序來掃描判斷鍵位，并通過相應(yīng)的鍵位處理程序來實(shí)現(xiàn)鍵盤特定功能。
串口通信由DSP控制系統(tǒng)中的串口通信程序和DSP串行通信口及相關(guān)硬件電路來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。
液晶顯示將鍵盤輸入及相應(yīng)菜單提示，和加力動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定過程顯示在液晶屏上，達(dá)到直觀觀測的作用DSP及傳感器供電電源系統(tǒng)通過變壓，整流，濾波，降低紋波處理電路來達(dá)到給dsp和傳感器供電的電源要求。
精確加力器分為硬件電路，軟件，電磁加力機(jī)械三部分。其中硬件電路包括三個(gè)部分DSP控制系統(tǒng)板，DSP和傳感器供電及傳感器信號(hào)采集放大電路板，加力裝置供電電源板。
DSP單元控制系統(tǒng)板1.用一個(gè)電源芯片MAX604將輸入的5伏轉(zhuǎn)換成3.3伏給DSP供電。
2.用一個(gè)電源芯片MAX6025B將MAX604提供的3.3伏給轉(zhuǎn)換成2.5伏基準(zhǔn)電壓給DSP的AD模塊的電壓比較基準(zhǔn)端(Vrefhi)供電。
3.用一個(gè)8M晶振(Y101)給DSP提供晶振源，在通過軟件設(shè)置成4倍頻，使DSP達(dá)到32M主頻。
4.用一個(gè)14腳接口將DSP的JTAG模塊相應(yīng)管腳引出，給仿真器提供接口。
5.DSP的IOPA3，IOPA4，IOPC2，IOPC4，IOPC5等數(shù)字IO口和數(shù)字地與一個(gè)數(shù)據(jù)線接口(J104)相連，從而給電磁加力裝置的供電電源系統(tǒng)提供編程接口。
6.將16K字的RAM芯片IS61LV6416(U103)與DSP相連，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的外擴(kuò)。
7.將256K bit Serial EEPROM芯片24LC256(U102)與DSP連接，得到EEPROM存儲(chǔ)區(qū)。
8.將DSP的數(shù)字IO管腳IOPB0-7與鍵盤的8腳相連作為鍵盤輸入IO口，同時(shí)通過與非門74LCX10(U202)和非門74LCX04(U201)形成只要有鍵盤按下即產(chǎn)生一個(gè)DSP外部中斷，從而使DSP響應(yīng)鍵盤中斷程序。
9.用一個(gè)串口電壓匹配芯片MAX3222(U104)將DSP串行接口與DSP板上的通信串行接口進(jìn)行電壓匹配，使得上位機(jī)的串口能與DSP串行模塊進(jìn)行正常通信。
10.由于液晶模塊是5伏工作電壓，而DSP是3.3伏的工作電壓，所以采用一個(gè)總線控制器芯片SN74LVCH16245(U107)來對兩者進(jìn)行隔離，并通過控制其G和DIR端高低組合來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流向的控制。
DSP和傳感器供電及傳感器信號(hào)采集放大電路板1.負(fù)5伏直流的電源電路首先由變壓器將220伏交流變換成12伏交流，接入到接口J101。通過一個(gè)電橋DBS104G(B101)將12伏交流轉(zhuǎn)換成16伏左右的直流。通過一個(gè)三端穩(wěn)壓管LM317K(U101)和電阻R101，R103將16伏左右的直流轉(zhuǎn)換成9伏左右直流(Vout＝1.25*(R103/R101)+Iadj*R103)同時(shí)降低電源紋波。
通過電源芯片將MAX759(U102)將9伏直流轉(zhuǎn)換為負(fù)9伏直流，并進(jìn)一步減小紋波。
通過一個(gè)三端穩(wěn)壓管LM7905(U103)將負(fù)9伏直流轉(zhuǎn)換成負(fù)5伏直流，再次降低電源紋波。
2.正5伏直流的電源電路
同產(chǎn)生負(fù)5伏直流電路中的前三步。得到正9伏左右的直流。
通過三端穩(wěn)壓管LM341T-5.0將正9伏直流轉(zhuǎn)換成正5伏直流，并降低紋波。
3.串口(J103)是給力傳感器提供的接口，其中9，5兩根是給傳感器供電的電源輸入端，6，7是連接傳感器的信號(hào)端，用于得到傳感器的電壓信號(hào)。1是地線端，用于屏蔽外界給信號(hào)線的干擾。
4.信號(hào)采集放大電路由兩個(gè)運(yùn)放芯片和相關(guān)電路構(gòu)成。由MAX412構(gòu)成差值放大，將由傳感器得到的壓差信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為對地的電壓信號(hào)。再通過MAX4252中的一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行二級(jí)放大，其中放大倍數(shù)有可調(diào)電阻R112進(jìn)行調(diào)結(jié)。電路末端由MAX4252中另一個(gè)運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，以增大信號(hào)的帶載。最后由接口J102送給DSP板。其中R105和C115構(gòu)成濾波環(huán)節(jié)，抑制運(yùn)放的諧振。
5.發(fā)光二極管D103和D104用來顯示電路板工作正常。
加力裝置供電電源板1.加力器供電的電源電路首先由變壓器將220伏交流變換成36伏交流，接入到接口J101。通過一個(gè)電橋RS809(U103)將36伏交流轉(zhuǎn)換成51伏左右的直流。
由DA芯片MAX504(U106)和R110，R112，R113構(gòu)成反饋電路連接至開關(guān)電源芯片LM2576HVT-ADJ(U102)的FEEDBACK端，開關(guān)電源芯片通過由反饋端得到的信號(hào)來控制開關(guān)電源芯片內(nèi)部的開關(guān)時(shí)間比例，由此使電源輸出端電壓穩(wěn)定在預(yù)定值。同時(shí)AD芯片MAX504(U106)可由程序控制，從而使電源系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)功能。
開關(guān)電源芯片后端的電路為濾波電路，兼有延緩電源電壓上升速度作用。
2.給加力裝置供電電源板上所有芯片供電電源電路同加力器供電的電源電路中的前兩步產(chǎn)生51伏左右直流。
通過開關(guān)電源芯片LM2576HV-5.0(U105)將電壓降至5伏，再通過濾波電路給芯片供電。
3.接受DSP板數(shù)據(jù)接口電路為了避免干擾，用光藕芯片HCPL2730將強(qiáng)電和弱電隔開，每個(gè)光藕提供兩個(gè)通道。其中光藕U108兩個(gè)通道一個(gè)用來由DSP控制開關(guān)電源芯片LM2576HVT-ADJ(U102)的工作和關(guān)斷，另一個(gè)用來控制AD芯片MAX504(U106)的CS端。
光藕U107兩個(gè)通道一個(gè)用來控制AD芯片MAX504(U106)的S_CLK端，另一個(gè)用來控制AD芯片MAX504 U106的D_IN端。
光藕U104兩個(gè)通道一個(gè)用來控制繼電器的接通和關(guān)斷，使加力器供電電源得以反向，從而來控制加力裝置的反向運(yùn)動(dòng)和反向施力。另一個(gè)用備用。電路中使用了兩個(gè)繼電器來達(dá)到供電反向，其中小電流繼電器U109用來由3伏控制給另一個(gè)5伏繼電器U101，繼電器U101用來控制給加力器供電電源的反向。
在本發(fā)明中，加力器工作機(jī)構(gòu)，鐵套A13固定在鐵芯12上，磁體A14固定在鐵套A13的下方，鐵套B15固定在磁體A14下方，磁體B21固定在鐵套B15的下方，鐵套C16固定在磁體B21的下方，鐵套D17固定在鐵套C16的下方，鐵芯12通過螺母20、墊圈19固定在下蓋18上，下蓋18固定在外鐵筒3的內(nèi)壁上，支承平臺(tái)10固定在鐵芯12的上端，軸承座9固定在支承平臺(tái)10的上方，杠桿7通過軸承8固定在軸承座9上，承力座2卡在杠桿7上，鋁圈附件6通過螺釘5固定在鋁圈4的上部，鋁圈4通過鋁圈附件6固定在杠桿7上，上蓋1通過螺紋固定在外鐵筒3上，且承力座2的螺紋端穿過上蓋1連接在拉壓力傳感器上。在鋁圈4的磁體A14和磁體B15處纏繞有線圈。線圈兩端連接電源線。
在本發(fā)明中。DSP單元的電路連接是DSP單元U306的地址A0～A15端接U303的A0～A15端，數(shù)據(jù)D0～D15端接U303的I/O00～I(xiàn)/O15端，電源29、50、86、129、4、42、67、77、95、141端接+3.3V，電源28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140端接數(shù)字地，AD采樣100端接J306的1端，AD采樣106端接J306的2端，114端接模擬地，同時(shí)接J306的3端，AD采樣電壓基準(zhǔn)115端接U301的2端，116端接3.3V，117端接模擬地，83接J304的4端，79端接J304的5端，56端接U307的40端，54端接U307的24端，52端接JP301的1端，47端接JP301的2端，44端接JP301的3端，40端接JP301的4端，16端接JP301的5端，18端接JP301的6端，14端接JP301的7端，37端接JP301的8端，88端接U307的26端，81端接U307的47端，69端接U307的46端，65端接U307的35端，62端接U307的33端，59端接U307的32端，55端接U307的30端，46端接U307的29端，38端接U307的27端，8端接U307的44端，6端接U307的43端，2端接U307的41端，126端接U302的6端，33端接J304的3端，30端接J304的2端，35端接J304的1端，26端接U304的10端，25端接U304的11端，123、124端接Y301的兩端，137端接電阻R307接+3.3V，73端接U307的36端，23端接U308的6端，7端接電阻R106接+3.3V，133為復(fù)位端，120、122端接電阻R305接3.3V，96端接U309的13端，89端接U303的17端，93端接U303的41端，84端接U303的1端，82端接U308的10端。請參見圖5～7所示。
權(quán)利要求
1.一種電磁加力器，其特征在于由拉壓力傳感器103、加力器工作機(jī)構(gòu)102、控制裝置104、支撐架101組成，拉壓力傳感器103輸出端通過連接件107安裝在支撐架101的上框架108，拉力傳感器103另一端與加力器工作機(jī)構(gòu)102承力座2的輸出端連接，拉壓力傳感器103的導(dǎo)線105和加力器工作機(jī)構(gòu)102的線圈導(dǎo)線106連接在控制裝置104上，所述加力器工作機(jī)構(gòu)102的鐵套A13固定在鐵芯12上，磁體A14固定在鐵套A13的下方，鐵套B15固定在磁體A14下方，磁體B21固定在鐵套B15的下方，鐵套C16固定在磁體B21的下方，鐵套D17固定在鐵套C16的下方，鐵芯12通過螺母20、墊圈19固定在下蓋18上，下蓋18固定在外鐵筒3的內(nèi)壁上，支承平臺(tái)10固定在鐵芯12的上端，軸承座9固定在支承平臺(tái)10的上方，杠桿7通過軸承8固定在軸承座9上，承力座2卡在杠桿7上，鋁圈附件6通過螺釘5固定在鋁圈4的上部，鋁圈4通過鋁圈附件6固定在杠桿7上，上蓋1通過螺紋固定在外鐵筒3上，且承力座2的螺紋端穿過上蓋1連接在拉壓力傳感器上，在鋁圈4的磁體A14和磁體B15處纏繞有線圈，線圈導(dǎo)線106與控制裝置104連接；所述控制裝置104的面板上設(shè)有顯示屏、鍵盤、通信串口，其內(nèi)安裝有硬件電路，硬件電路包括DSP單元、系統(tǒng)電源電路、信號(hào)采集放大電路以及加力器電源電路，經(jīng)鍵盤輸入指令至DSP單元進(jìn)行處理，同時(shí)DSP單元接收信號(hào)采集放大電路采集的傳感器信號(hào)，并對其進(jìn)行放大處理后，輸出至顯示器顯示出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于拉力傳感器103安裝位于力輸出軸線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于加力器工作機(jī)構(gòu)102的支承平臺(tái)10、外鐵筒3、磁體、鐵套、鐵芯12構(gòu)成磁路封閉結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于磁體A14和磁體B15上纏繞的線圈，其纏繞方向與磁力方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于DSP單元選取LF2407A芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于DSP單元的電路連接是DSP單元U306的地址A0～A15端接U303的A0～A15端，數(shù)據(jù)D0～D15端接U303的I/O00～I(xiàn)/O15端，電源29、50、86、129、4、42、67、77、95、141端接+3.3V，電源28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140端接數(shù)字地，AD采樣100端接J306的1端，AD采樣106端接J306的2端，114端接模擬地，同時(shí)接J306的3端，AD采樣電壓基準(zhǔn)115端接U301的2端，116端接3.3V，117端接模擬地，83接J304的4端，79端接J304的5端，56端接U307的40端，54端接U307的24端，52端接JP301的1端，47端接JP301的2端，44端接JP301的3端，40端接JP301的4端，16端接JP301的5端，18端接JP301的6端，14端接JP301的7端，37端接JP301的8端，88端接U307的26端，81端接U307的47端，69端接U307的46端，65端接U307的35端，62端接U307的33端，59端接U307的32端，55端接U307的30端，46端接U307的29端，38端接U307的27端，8端接U307的44端，6端接U307的43端，2端接U307的41端，126端接U302的6端，33端接J304的3端，30端接J304的2端，35端接J304的1端，26端接U304的10端，25端接U304的11端，123、124端接Y301的兩端，137端接電阻R307接+3.3V，73端接U307的36端，23端接U308的6端，7端接電阻R106接+3.3V，133為復(fù)位端，120、122端接電阻R305接3.3V，96端接U309的13端，89端接U303的17端，93端接U303的41端，84端接U303的1端，82端接U308的10端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于加力范圍1～100牛頓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁加力器，其特征在于可應(yīng)用于永磁直線力電機(jī)對力的施加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于永磁式直線力電機(jī)原理的電磁加力器，其由支撐架、拉壓力傳感器、加力器工作機(jī)構(gòu)和控制裝置組成，拉壓力傳感器安裝在加力器工作機(jī)構(gòu)承力座的輸出端上，拉壓力傳感器的導(dǎo)線和加力器工作機(jī)構(gòu)的線圈導(dǎo)線連接在控制裝置上，拉壓力傳感器、加力器工作機(jī)構(gòu)和控制裝置安裝在支撐架上。控制裝置包括顯示器、鍵盤、通訊串口以及DSP單元、信號(hào)調(diào)理電路和系統(tǒng)電源電路的硬件電路。本發(fā)明的電磁加力器設(shè)備體積小，成本低，加力精度高，同時(shí)具有自適應(yīng)穩(wěn)定功能。
文檔編號(hào)G05D15/00GK1584767SQ20041000919
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者鄭紅, 龔書, 李子鵬, 吳速 申請人:北京航空航天大學(xué)