一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置及其驱动方法与流程

本发明属于微型机械平面马达技术领域，涉及一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置，本发明还涉及上述微型平面马达装置的驱动方法。

背景技术：

在现今的微机电系统中，致动器是一种将输入能量转化为机械输出的装置，例如机械运动，力亦或二者的结合。在这类系统中，最常见的致动器就是基于模拟控制的致动器，它们的运动单元可以到达工作行程内的任意位置。这类致动器一般有如下优点，在工作范围内连续控制，高性能，高可靠性等。为了获得这些优点，闭环控制和相应的反馈传感器都被应用在了这类型致动器上。然而，由于闭环控制以及相应的反馈传感器的应用，其控制也会相应的复杂化，以确保其高性能水平或完成复杂任务的能力。反馈传感器的安装集成有可能也会为此类致动器设计带来问题，尤其是当这类致动器被应用于紧凑的或者高度集成化的微机电系统中时,安装空间的限制就会体现出来。另外，要使运动单元保持在被要求的位置，同时抵抗外界的干扰，持续的能量输入也是必不可少的。这也将给此类系统带来焦耳热效应的影响或者系统故障。

为了解决这些由于设计原理带来的缺陷，另一种基于数字控制的致动器被开发了出来。此类基于数字控制的致动器，其运动单元能够在确定的、有限的分离位置(称为稳态位置)之间被驱动。另外，这些分离位置是在加工过程中确定的。而分离位置中间的位置为过渡暂态位置，在通常情况下是不能被保持的。基于其数字驱动设计原理，此类致动器，具有如下优点：首先，开环控制。此类致动器将采用开环控制，反馈传感器将不在必要。其次，控制信号简单。通常情况下只需要能量脉冲输入就可以完成运动单元的驱动。另外，低能耗。此类致动器采用数字控制，能量输入仅仅用来驱动运动单元运动，保持运动部分在分离位置不需要任何能量输入。当然，相比于模拟致动器，此类致动器也有着两个主要缺陷。首先，对加工精度有要求。不能通过调整控制来补偿加工误差。其次，工作行程有限。但是，这个缺陷可以通过集成化多个致动器来实现行程的倍增。

微型平面马达装置是一种在平面平台上完成精确移动或运输实现位移输出任务的平台型装置。运动距离(x，y)方向一般不超过10cm。这种微型移动平台大多由模拟致动器组成，精度也较高，并且应用于各种微平面位移输出场合，例如光学阵列开关和微操作平台。然而，成本高，控制复杂和结构不够紧凑，安装不便，高功耗等因为基于模拟致动器而导致的固有缺陷也存在于这类平面马达装置中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置，其结构简单紧促，安装方便。

本发明的另一目的是提供一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置，包括控制板卡，控制板卡通过导线连接有功率放大器，功率放大器通过导线连接有电路板，电路板上方设置有玻璃薄板，玻璃薄板上方设置有致动器阵列，致动器阵列上方设置有被驱动薄板。

本发明的特点还在于，

控制板卡为单片机或数字信号输出卡，功率放大器为电压电流转换器或可控硅。

电路板为双面印制的pcb电路板。

玻璃薄板的厚度为0.5mm。

被驱动薄板为轻质磁绝缘薄板。

电路板的厚度为0.4mm，致动器阵列包括至少4个致动器单元，致动器单元包括一个被驱动运动永磁铁和四个固定永磁铁。

电路板上的铜线正反正交垂直布置，且分别位于电路板的两侧，正反正交的铜线的中心位置与被驱动运动永磁铁对应设置。

被驱动运动永磁铁和固定永磁铁设置为圆柱形磁铁或立方体形状磁铁。

圆柱形磁铁的直径为0-20mm，高度为0-8mm。立方体磁铁边长为0-20mm。

本发明所采用的另一技术方案是，一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1.根据实际需求确定致动器阵列的运行面积，选择致动器单元的个数；

步骤2.对电路板所有相应移动方向的导线施加同向电流脉冲，使所有致动器单元被驱动运动永磁铁产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板实现向致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3.对少于致动器单元总数的一半的致动器单元相对应的电路板相应的导线中施加反向电流脉冲，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；

步骤4.对致动器阵列中剩余未回复到初始位置的致动器单元重复步骤3直到致动器阵列所有致动器单元均回复移动到初始稳态位置，在重复步骤3时，每次驱动的致动器单元的数不大于致动器单元总数的一半；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板连续步长的位移输出。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单、开环控制，数字控制驱动致动器只需要电流脉冲，无需反馈传感器的安置，因此相比模拟致动器的装置其成本较低，安装结构紧凑；

(2)由于采用电流脉冲驱动，发热少，能够有效避免焦耳效应；

(3)由于采用电磁驱动的方式，致动器驱动速度快，响应快，无迟滞；

(4)通过将数字控制的致动器设计为阵列形式，使用者可以有效灵活的根据不同的需求，增多或减少阵列中致动器单元的个数，从而确定该装置最终的平面位移行程，同时避免了传统单个致动器行程有限的缺点；

(5)致动器单元中，被驱动运动永磁铁与固定永磁铁呈反向磁化强度放置，从而由于永磁铁间静磁场吸引力的作用，被驱动磁铁在框架中总保持在4角位置其中之一，这种状态不需要能量维持，也被成为稳态位置，即每个致动器单元有4个稳态位置，从而确定了致动器的四种稳定状态，且保持稳定状态不需能量，每两个稳定状态确定了致动器单元的一个运动方向。

附图说明

图1是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的结构示意图；

图2是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的一种实施例图；

图3是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的左视图；

图4是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的一种实施例图；

图5是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的被驱动薄板沿x方向移动的示意图；

图6是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的被驱动薄板沿y方向移动的示意图；

图7是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的被驱动薄板沿y＝x方向移动的示意图；

图8是本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的被驱动薄板旋转移动的示意图。

图中，1.控制板卡，2.功率放大器，3.电路板，4.玻璃薄板，5.致动器阵列，6.被驱动薄板，51.致动器单元，52.被驱动运动永磁铁，53.固定永磁铁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置，其结构如图1所示，包括控制板卡1，控制板卡1通过导线连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线连接有电路板3，如图2所示，电路板3上方设置有玻璃薄板4，玻璃薄板4上方设置有致动器阵列5，致动器阵列5上方设置有被驱动薄板6。

控制板卡1为单片机或数字信号输出卡，功率放大器2为电压电流转换器或可控硅。

电路板3为双面印制的电路板。

玻璃薄板4的厚度为0.5mm。

被驱动薄板6为轻质磁绝缘薄板。

电路板3的厚度为0.4mm，致动器阵列5包括至少4个致动器单元51，致动器单元51包括一个被驱动运动永磁铁52和四个固定永磁铁53。

电路板3上的铜线正反正交垂直布置，且分别位于电路板3的两侧，正反正交的铜线的中心位置与被驱动运动永磁铁52对应设置。

被驱动运动永磁铁52和固定永磁铁53设置为圆柱形磁铁或立方体形状磁铁。

圆柱形磁铁的直径为0-20mm，高度为0-8mm。

立方体磁铁边长为0-20mm。

本发明还提供了一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1.根据实际需求确定致动器阵列5的运行面积，选择致动器单元51的个数；

步骤2.对电路板3所有相应移动方向的导线施加同向电流脉冲，使所有致动器单元被驱动运动永磁铁产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板6间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现向致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3.对少于致动器单元51总数的一半的致动器单元51相对应的电路板(3)相应的导线中施加反向电流脉冲，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；

步骤4.对致动器阵列中剩余未回复到初始位置的致动器单元51重复步骤3直到致动器阵列5所有致动器单元51均回复移动到初始稳态位置，在重复步骤3时，每次驱动的致动器单元51的数不大于致动器单元51总数的一半；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板6连续步长的位移输出。

本发明的一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置中，控制板卡1为单片机或数字信号输出卡，对致动器阵列提供脉冲驱动电流信号用。功率放大器2为电压电流转换器或可控硅，对系统驱动电流信号放大，为设备提供大电流脉冲，从而在被驱动运动永磁铁52上产生较大洛伦兹驱动力。

致动器阵列5可由非金属螺钉连接固定在工作平台之上。

致动器单元51的个数可以增加来扩大阵列运行面积，所含致动器单元总个数一般为自然数平方数，如：4、9、16等，特别的情况也可以不遵循这项规律，周围可以增加个别其他用途致动器来实现其他目的。

每个致动器单元51的被驱动运动永磁铁52和固定永磁铁53为圆柱形磁铁或立方体磁铁，每个致动器单元均放置在一个矩形的支撑框架内，圆柱形磁铁直径为0-20mm，高度为0-8mm，立方体磁铁边长为0-20mm，同样形状磁铁之间的尺寸可以相同，也可以不同。致动器阵列5周围可以布置平衡静磁场所用的平衡磁铁，也可以不用布置。

玻璃薄板4的厚度为0.5mm，形状为正方形，面积大小根据所需要阵列及pcb大小可做相应调整，主要作用为电磁隔离，该玻璃板放置于电路板与致动器的磁铁之间，由阵列结构体支撑。

被驱动薄板6为轻质磁绝缘薄板，例如纸板、pmma板等，放置于致动器阵列5之上，仅与被驱动的立方体磁铁接触且由其支撑，其面积也由致动器阵列实际设计面积大小做更改。

本发明的工作原理为，本发明的一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方式：致动器阵列5采用电磁驱动原理，通过控制电流脉冲的方式在致动器单元51的被驱动运动永磁铁52上产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下驱动致动器单元51中被驱动运动永磁铁52产生位移，而后由被驱动运动永磁铁52和置于其顶部的被驱动薄板6间的摩擦力带动被驱动薄板6输出单步长位移。

状态保持方式：为了实现稳定的平面内位移输出，本新型设计在致动器单元上设计了4个稳态位置，即使用了置于支撑框架内四个角位置的4个固定永磁铁，其磁化方向与被驱动运动永磁铁反向，从在静态状态下，被驱动运动永磁铁将受到来自于固定永磁铁的静磁吸引力，从而确定其在支撑框架内时只能处于离这4个固定永磁铁最近的四角位置，在外界干扰里不大的情况下，被驱动磁铁将一直保持在这四个位置之一，即成称为四稳态。

步长输出方式：依靠致动器阵列5中所有被驱动运动永磁铁52同向运动，产生足够的摩擦力来带动置于致动器阵列5之上的仅与所有被驱动磁铁接触的被驱动薄板6。因为致动器单元51呈阵列配置，四稳态在框架中也是位于矩形结构的四个顶点，于是，仅需对相应的致动器单元底部的相应导线通电脉冲，即可完成对致动器单元中的被驱动磁铁的位移输出，即从一个稳态位置到另一个稳态位置，在此过程中，电磁驱动力大于静磁吸引力。

逻辑控制方式：对阵列中的所有致动器单元51的通电逻辑控制顺序采用先整体——后部分——再循环的方式，第一步，先对致动器阵列5底部电路板3所有相应移动方向的导线施加电流脉冲，使所有致动器单元51产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元51与置于其顶部接触的被驱动薄板6间存在摩擦力。在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现单步朝向致动器驱动方向的位移输出；第二步，对单个或少于致动器单元总数的一半的致动器单元51与电路板3相应的导线中施加反向电流脉冲，使得该致动器单元51或部分回到初始稳态位置。第三步，对致动器阵列5中剩余未回复到初始位置的致动器单元51重复实现第二步中的步骤直到致动器阵列5所有的单元均回复移动到初始稳态位置。在该重复步骤中，每次驱动的致动器不超过总数的一半；第四步，重复第一步操作，即可实现第二步位移的输出。当连续重复上述步骤时，即可得到连续步长的位移输出，实现平面马达装置的应用。

本发明的一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置应用可以用来实现平面内包括x、y、xy斜向及平面旋转位移，可以产生被驱动薄板产生连续快速步进平面位移的输出，在特定的应用场合取代传统的模拟致动器平面传送设备。

本发明的一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法中，步骤3和步骤4中每次驱动的致动器单元51的数不大于致动器单元51总数的一半，以保证摩擦力较小被驱动薄板6不发生位移；

实施例1

一种电磁数字致动器的微型致动器阵列的微型平面马达装置，包括控制板卡1，控制板卡1通过导线连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线连接有电路板3，电路板3上方设置有玻璃薄板4，玻璃薄板4上方设置有致动器阵列5，致动器阵列5上方设置有被驱动薄板6。如图1所示，致动器阵列5由9个致动器单元51组成，成3x3平面矩阵排布，致动器单元间距离为1.5cm，致动器阵列5中单元尺寸为1cmx1cm，其单元位移精度(单步长延x，y方向分别)为0.2mm。

致动器阵列5单元被驱动运动永磁铁为立方体磁铁，其长宽高为8mmx8mmx4mm，固定永磁铁为圆柱体形定磁铁其半径为4.5mm，高度为4mm。

控制板卡1在至少有3个数字信号输出端口，经由功率放大器2将电流脉冲信号，传递于电路板3构成导电回路。

功率放大器2为电压电流转换器，将控制板块的电压信号转化为脉冲电流信号，驱动电流一般可为1-3a。

玻璃薄板4厚度为0.5mm。

采用以上方式可以驱动放置于阵列装置上部的被驱动薄板6，根据被驱动薄板6的质量和驱动电流大小的不同，每次驱动能得到50-200μm的驱动薄板步进位移输出。

实施例2

一种电磁数字致动器的微型致动器阵列的微型平面马达装置，其包括控制板卡1，控制板卡1通过导线连接有功率放大器2，功率放大器2通过导线连接有电路板3，电路板3上方设置有玻璃薄板4，玻璃薄板4上方设置有致动器阵列5，致动器阵列5上方设置有被驱动薄板6。如图3所示，致动器阵列5由4个致动器单元51组成，成2x2平面矩阵排布，致动器单元间距离为1cm，致动器阵列5中单元尺寸为1.5cmx1.5cm，其单元位移精度(单步长延x，y方向分别)为0.5mm。

致动器阵列5单元被驱动运动永磁铁为立方体磁铁，其长宽高为15mmx15mmx4mm，固定永磁铁为圆柱体形定磁铁其半径为8.5mm，高度为4mm。

控制板卡1至少有3个数字信号输出端口，经由功率放大器2将电流脉冲信号，传递于电路板3构成导电回路。

功率放大器2为电压电流转换器，将控制板块的电压信号转化为脉冲电流信号，驱动电流一般可为1-6a。

玻璃薄板4厚度为0.5mm。

采用以上方式可以驱动放置于致动器阵列5上部的被驱动薄板6，根据被驱动薄板6的质量和驱动电流大小的不同，每次驱动能得到125-500μm的被驱动薄板步进位移输出。

实施例3

一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1.如图4所示，确定致动器阵列5为5x5平面矩阵排布，选择25个致动器单元；

步骤2.如图5所示，对电路板3所有x方向的导线施加电流脉冲，使所有致动器单元产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板6间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现朝致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3、步骤4.即逐一向相应的致动器单元51发射反向电流使被驱动运动永磁铁52沿x负方向到初始稳态位置，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；此时，由于是单个驱动，摩擦力较小从而在此步骤中被驱动薄板6不发生位移；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板6连续步长的位移输出。

本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的逻辑控制的程序均存储于控制板卡1中。

实施例4

一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1.如图4所示，确定致动器阵列5为5x5平面矩阵排布，选择25个致动器单元；

步骤2.如图6所示，对电路板3所有y方向的导线施加电流脉冲，使所有致动器单元产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板6间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现朝致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3、步骤4.即逐一向相应的致动器单元51发射反向电流使被驱动运动永磁铁52沿y的负方向到初始稳态位置，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；此时，由于是单个驱动，摩擦力较小从而在此步骤中被驱动薄板6不发生位移；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板6连续步长的位移输出。

本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的逻辑控制的程序均存储于控制板卡1中。

实施例5

一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1.如图4所示，确定致动器阵列5为5x5平面矩阵排布，选择25个致动器单元；

步骤2.如图7所示，对电路板3所有y＝x(x＞0)方向的导线施加电流脉冲，使所有致动器单元产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板6间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现朝致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3、步骤4.即逐一向相应的致动器单元51发射反向电流使被驱动运动永磁铁52沿y＝x(x＜0)的方向到初始稳态位置，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；此时，由于是单个驱动，摩擦力较小从而在此步骤中被驱动薄板6不发生位移；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板6连续步长的位移输出。

本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的逻辑控制的程序均存储于控制板卡1中。

实施例6

步骤1.如图4所示，确定致动器阵列5为5x5平面矩阵排布，选择25个致动器单元；

步骤2.如图8所示，对电路板3所有相应旋转方向的导线施加电流脉冲，使所有致动器单元产生位移，从一个稳态位置移动到另一个稳态位置，由于相对位移的产生使得致动器单元与设置在其上方的被驱动薄板6间存在摩擦力，在该摩擦力的作用下，被驱动薄板6实现朝致动器驱动方向的单步位移输出；

步骤3、步骤4.即逐一向相应的致动器单元51发射反向电流使被驱动运动永磁铁52沿步骤2中移动方向的反方向到初始稳态位置，使得相应的致动器单元回到初始稳态位置；此时，由于是单个驱动，摩擦力较小从而在此步骤中被驱动薄板6不发生位移；

步骤5.依次重复实施步骤1到步骤4，即可实现被驱动薄板6连续步长的位移输出。

本发明一种电磁数字致动器阵列的微型平面马达装置的驱动方法的逻辑控制的程序均存储于控制板卡1中。