[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号200410009193.3
[51]Int.CI7
G05D 15/01
[43]公开日2005年2月23日[22]申请日2004.06.09[21]申请号200410009193.3
[71]申请人北京航空航天大学
地址100083北京市海淀区学院路37号[72]发明人郑红 龚书 李子鹏 吴速
[11]公开号CN 1584767A
[74]专利代理机构北京永创新实专利事务所
代理人周长琪
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 7 页
[54]发明名称
电磁加力器
[57]摘要
本发明公开了一种基于永磁式直线力电机原理的电磁加力器，其由支撑架、拉压力传感器、加力器工作机构和控制装置组成，拉压力传感器安装在加力器工作机构承力座的输出端上，拉压力传感器的导线和加力器工作机构的线圈导线连接在控制装置上，拉压力传感器、加力器工作机构和控制装置安装在支撑架上。控制装置包括显示器、键盘、通讯串口以及DSP单元、信号调理电路和系统电源电路的硬件电路。本发明的电磁加力器设备体积小，成本低，加力精度高，同时具有自适应稳定功能。
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权 利 要 求 书
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1、一种电磁加力器，其特征在于：由拉压力传感器103、加力器工作机构102、控制装置104、支撑架101组成，拉压力传感器103输出端通过连接件107安装在支撑架101的上框架108，拉力传感器103另一端与加力器工作机构102承力座2的输出端连接，拉压力传感器103的导线105和加力器工作机构102的线圈导线106连接在控制装置104上，
所述加力器工作机构102的铁套A13固定在铁芯12上，磁体A14固定在铁套A13的下方，铁套B15固定在磁体A14下方，磁体B21固定在铁套B15的下方，铁套C16固定在磁体B21的下方，铁套D17固定在铁套C16的下方，铁芯12通过螺母20、垫圈19固定在下盖18上，下盖18固定在外铁筒3的内壁上，支承平台10固定在铁芯12的上端，轴承座9固定在支承平台10的上方，杠杆7通过轴承8固定在轴承座9上，承力座2卡在杠杆7上，铝圈附件6通过螺钉5固定在铝圈4的上部，铝圈4通过铝圈附件6固定在杠杆7上，上盖1通过螺纹固定在外铁筒3上，且承力座2的螺纹端穿过上盖1连接在拉压力传感器上，在铝圈4的磁体A14和磁体B15处缠绕有线圈，线圈导线106与控制装置104连接；
所述控制装置104的面板上设有显示屏、键盘、通信串口，其内安装有硬件电路，硬件电路包括DSP单元、系统电源电路、信号采集放大电路以及加力器电源电路，经键盘输入指令至DSP单元进行处理，同时DSP单元接收信号采集放大电路采集的传感器信号，并对其进行放大处理后，输出至显示器显示出。
2、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：拉力传感器103安装位于力输出轴线上。
3、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：加力器工作机构102的支承平台10、外铁筒3、磁体、铁套、铁芯12构成磁路封闭结构。
4、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：磁体A14和磁体B15上缠绕的线圈，其缠绕方向与磁力方向相反。
5、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：DSP单元选取LF2407A芯片。
6、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：DSP单元的电路连接是：DSP单元U306的地址A0～A15端接U303的A0～A15端，数据D0～D15端接U303的I/O00～I/O15端，电源29、50、86、129、4、42、67、77、95、141端接+3.3V，
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电源28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140端接数字地，AD采样100端接J306的1端，AD采样106端接J306的2端，114端接模拟地，同时接J306的3端，AD采样电压基准115端接U301的2端，116端接3.3V，117端接模拟地，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的两端，137端接电阻R307接+3.3V，73端接U307的36端，23端接U308的6端，7端接电阻R106接+3.3V，133为复位端，120、122端接电阻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、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：加力范围1～100牛顿。 8、根据权利要求1所述的电磁加力器，其特征在于：可应用于永磁直线力电机对力的施加。
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说 明 书
电磁加力器
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技术领域
本发明涉及一种对施加多少力进行精确控制的加力装置，具体地是指一种电磁加力器。背景技术
直线加力装置在科学试验和工业生产中应用广泛，然而很多自动直线加力器是由旋转机械经过转换而来，传动过程中精度难以保证；精度较高的通常是杠杆砝码式的手动装置，自动化程度低，加力过程难以控制，而且冲击过载难以避免；液压的设备，维护起来麻烦，通常设备整体笨重。
可用于制造磁功能器件的强磁性材料称为磁性材料，他包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性液体等。他们通称为磁功能材料、其中用量最大和用途最广的是硬磁材料和软磁材料。又因永磁体产生的磁场比线圈产生的磁场效果好，采用稀土永磁材料方案来制作器件能缩小体积，提高效率，改善性能，增加可靠性。发明内容
本发明的目的是提出一种能够精确计算对外施加力的一种电磁加力器。 本发明的电磁加力器，其由支撑架、拉压力传感器、加力器工作机构和控制装置组成，拉压力传感器安装在加力器工作机构承力座的输出端上，拉压力传感器的导线和加力器工作机构的线圈导线连接在控制装置上，拉压力传感器、加力器工作机构和控制装置安装在支撑架上。控制装置包括显示器、键盘、通讯串口以及DSP单元、信号调理电路和系统电源电路，加力器电源电路的硬件电路。
本发明的优点是：设备体积小，成本低，加力精确，稳定性好。附图说明
图1是本发明控制结构框图。 图2是工作机构的装配图。 图3是支撑架结构示意图。
图4是工作机械、传感器、控制装置的连接示意图。 图5是DSP单元电路原理图。 图6是加力器电源电路原理图。
图7是信号采集放大电路、系统电源电路原理图。 图8是本发明的控制流程框图。
图中： 1.上盖 2.承力座 3.外铁筒 4.铝圈
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5.螺钉 6.铝圈附件 7.杠杆 8.轴承 9.轴承座 10.支承平台 11.螺钉 12.铁芯 13.铁套A 14.磁体A 15.铁套B 16.铁套C 17.铁套D 18.下盖 19.垫圈 20.螺母 21.磁体B
101.支撑架 102.工作机构 103.拉压力传感器 104.控制装置 105.导线 106.线圈导线 107.连接件 108.上框架具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明是一种电磁加力器，是一种能够精确控制电机输出力的控制设备。由拉压力传感器103、加力器工作机构102、控制装置104、支撑架101组成，拉压力传感器103输出端通过连接件107安装在支撑架101的上框架108，拉力传感器103另一端与加力器工作机构102承力座2的输出端连接，拉压力传感器103的导线105和加力器工作机构102的线圈导线106连接在控制装置104上。
在本发明中，控制装置104上设有显示器、键盘以及串口，其内安装有硬件电路，硬件电路由DSP单元、信号采集放大电路、系统电源、加力器供电系统。 Dsp控制系统：对整个系统进行整体控制，包括：与上位机的通信；对可调加力器供电电源进行程序控制，对从传感器采集回来的信号进行软件滤波分析及反馈处理；功能菜单和液晶显示的程序控制。
电磁加力装置供电电源系统：通过一根数据线得到来自DSP控制系统的IO控制信号，得到的IO信号来控制一个DA芯片，DA芯片的输出通过一个关于LM2576HVT-ADJ芯片的电压调节电路对加力器供电系统得电压进行调节，达到DSP控制加力器供电电压的作用。
电磁加力器被控对象：通过给加力器电磁线圈通以电流，在永磁铁的磁场作用下产生电磁力，从而给被加力部分加力。机构部分包括四个部分：磁路磁轭及磁钢支架、线圈承载支架、力的放大输出机构和整体的支架。 拉压力传感器：将压力转换成电压信号进行输出。
信号采集放大电路：将由传感器输出的电压信号进行放大，滤波，再传给DSP控制系统进行处理。
键盘输入：一个4×4的键盘，由DSP控制系统中的键盘程序来扫描判断键位，并通过相应的键位处理程序来实现键盘特定功能。
串口通信：由DSP控制系统中的串口通信程序和DSP串行通信口及相关硬件电路来实现和上位机的通信。
液晶显示：将键盘输入及相应菜单提示，和加力动态响应、稳定过程显示在液晶屏上，达到直观观测的作用
DSP及传感器供电电源系统：通过变压，整流，滤波，降低纹波处理电路来达到
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给dsp和传感器供电的电源要求。
精确加力器分为：硬件电路，软件，电磁加力机械三部分。其中硬件电路包括三个部分：DSP控制系统板，DSP和传感器供电及传感器信号采集放大电路板，加力装置供电电源板。
DSP单元控制系统板：
1.用一个电源芯片MAX604将输入的5伏转换成3.3伏给DSP供电。 2.用一个电源芯片MAX6025B将MAX604提供的3.3伏给转换成2.5伏基准电压给DSP的AD模块的电压比较基准端(Vrefhi)供电。
3.用一个8M晶振(Y101)给DSP提供晶振源，在通过软件设置成4倍频，使DSP达到32M主频。
4.用一个14脚接口将DSP的JTAG模块相应管脚引出，给仿真器提供接口。 5.DSP的IOPA3，IOPA4，IOPC2，IOPC4，IOPC5等数字IO口和数字地与一个数据线接口(J104)相连，从而给电磁加力装置的供电电源系统提供编程接口。 6.将16K字的RAM芯片IS61LV6416(U103)与DSP相连，实现存储空间的外扩。 7.将256K bit Serial EEPROM芯片24LC256(U102)与DSP连接，得到EEPROM存储区。
8.将DSP的数字IO管脚IOPB0-7与键盘的8脚相连作为键盘输入IO口，同时通过与非门74LCX10(U202)和非门74LCX04(U201)形成只要有键盘按下即产生一个DSP外部中断，从而使DSP响应键盘中断程序。
9.用一个串口电压匹配芯片MAX3222(U104)将DSP串行接口与DSP板上的通信串行接口进行电压匹配，使得上位机的串口能与DSP串行模块进行正常通信。 10.由于液晶模块是5伏工作电压，而DSP是3.3伏的工作电压，所以采用一个总线控制器芯片SN74LVCH16245(U107)来对两者进行隔离，并通过控制其G和DIR端高低组合来实现数据流向的控制。
DSP和传感器供电及传感器信号采集放大电路板： 1.负5伏直流的电源电路：
首先由变压器将220伏交流变换成12伏交流，接入到接口J101。通过一个电桥DBS104G(B101)将12伏交流转换成16伏左右的直流。
通过一个三端稳压管LM317K(U101)和电阻R101，R103将16伏左右的直流转换成9伏左右直流(Vout＝1.25*(R103/R101)+Iadj*R103)同时降低电源纹波。 通过电源芯片将MAX759(U102)将9伏直流转换为负9伏直流，并进一步减小纹波。
通过一个三端稳压管LM7905(U103)将负9伏直流转换成负5伏直流，再次降低电源纹波。
2.正5伏直流的电源电路：
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同产生负5伏直流电路中的前三步。得到正9伏左右的直流。
通过三端稳压管LM341T-5.0将正9伏直流转换成正5伏直流，并降低纹波。 3.串口(J103)是给力传感器提供的接口，其中9，5两根是给传感器供电的电源输入端，6，7是连接传感器的信号端，用于得到传感器的电压信号。1是地线端，用于屏蔽外界给信号线的干扰。
4.信号采集放大电路由两个运放芯片和相关电路构成。由MAX412构成差值放大，将由传感器得到的压差信号放大并转换为对地的电压信号。再通过MAX4252中的一个运算放大器进行二级放大，其中放大倍数有可调电阻R112进行调结。电路末端由MAX4252中另一个运算放大器作为电压跟随器，以增大信号的带载。最后由接口J102送给DSP板。其中R105和C115构成滤波环节，抑制运放的谐振。 5.发光二极管D103和D104用来显示电路板工作正常。 加力装置供电电源板： 1.加力器供电的电源电路：
首先由变压器将220伏交流变换成36伏交流，接入到接口J101。通过一个电桥RS809(U103)将36伏交流转换成51伏左右的直流。
由DA芯片MAX504(U106)和R110，R112，R113构成反馈电路连接至开关电源芯片LM2576HVT-ADJ(U102)的FEEDBACK端，开关电源芯片通过由反馈端得到的信号来控制开关电源芯片内部的开关时间比例，由此使电源输出端电压稳定在预定值。同时AD芯片MAX504(U106)可由程序控制，从而使电源系统具有可调节功能。 开关电源芯片后端的电路为滤波电路，兼有延缓电源电压上升速度作用。 2.给加力装置供电电源板上所有芯片供电电源电路： 同加力器供电的电源电路中的前两步产生51伏左右直流。
通过开关电源芯片LM2576HV-5.0(U105)将电压降至5伏，再通过滤波电路给芯片供电。
3.接受DSP板数据接口电路：
为了避免干扰，用光藕芯片HCPL2730将强电和弱电隔开，每个光藕提供两个通道。其中光藕U108两个通道一个用来由DSP控制开关电源芯片LM2576HVT-ADJ(U102)的工作和关断，另一个用来控制AD芯片MAX504(U106)的CS端。
光藕U107两个通道一个用来控制AD芯片MAX504(U106)的S_CLK端，另一个用来控制AD芯片MAX504 U106的D_IN端。
光藕U104两个通道一个用来控制继电器的接通和关断，使加力器供电电源得以反向，从而来控制加力装置的反向运动和反向施力。另一个用备用。电路中使用了两个继电器来达到供电反向，其中小电流继电器U109用来由3伏控制给另一个5伏继电器U101，继电器U101用来控制给加力器供电电源的反向。
在本发明中，加力器工作机构，铁套A13固定在铁芯12上，磁体A14固定在铁
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套A13的下方，铁套B15固定在磁体A14下方，磁体B21固定在铁套B15的下方，铁套C16固定在磁体B21的下方，铁套D17固定在铁套C16的下方，铁芯12通过螺母20、垫圈19固定在下盖18上，下盖18固定在外铁筒3的内壁上，支承平台10固定在铁芯12的上端，轴承座9固定在支承平台10的上方，杠杆7通过轴承8固定在轴承座9上，承力座2卡在杠杆7上，铝圈附件6通过螺钉5固定在铝圈4的上部，铝圈4通过铝圈附件6固定在杠杆7上，上盖1通过螺纹固定在外铁筒3上，且承力座2的螺纹端穿过上盖1连接在拉压力传感器上。在铝圈4的磁体A14和磁体B15处缠绕有线圈。线圈两端连接电源线。
在本发明中。DSP单元的电路连接是：DSP单元U306的地址A0～A15端接U303的A0～A15端，数据D0～D15端接U303的I/O00～I/O15端，电源29、50、86、129、4、42、67、77、95、141端接+3.3V，电源28、49、85、128、3、41、66、76、94、125、140端接数字地，AD采样100端接J306的1端，AD采样106端接J306的2端，114端接模拟地，同时接J306的3端，AD采样电压基准115端接U301的2端，116端接3.3V，117端接模拟地，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的两端，137端接电阻R307接+3.3V，73端接U307的36端，23端接U308的6端，7端接电阻R106接+3.3V，133为复位端，120、122端接电阻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。请参见图5～7所示。
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图4
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200410009193.3说 明 书 附 图 第6/7页
图7
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图8
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