一种大动态范围高精度力输出装置及方法

一种大动态范围高精度力输出装置及方法
1.本发明提出了一种大动态范围高精度力输出装置及方法，属于控制科学领域。


背景技术：

2.音圈电机是一种直接驱动电机，分为直线型和圆弧形，其结构简单、体积小巧、高加速、高响应等特性使其具备优势，其工作原理即为通电线圈放在磁场中产生安培力，音圈电机在高速、高精度定位系统中是不可或缺的元件之一，在光学、机械、医学等领域的定位装置中广泛应用。
3.由于音圈电机在精密定位系统中只考虑了位置、速度等因素，其高精度输出力的特点被忽略。将压力传感器连接到音圈电机上，接触到被测物体时，利用力的相互作用压力传感器反馈出力信号，stm32单片机分析力信号再通过改变电流的大小控制音圈电机输出力，音圈电机和压力传感器形成控制反馈，可输出大动态范围高精度力。


技术实现要素：

4.本发明的目的是输出一个范围在0-10n、精度为1mn的动态力，用于高精度以及大动态范围的力传感器的标定，提出一种大动态范围高精度力输出装置及方法。
5.本发明通过以下技术方案实现：一种大动态范围高精度力输出装置及方法，其特征在于，使用的装置包括：上位机(1)、音圈电机(2)、压力传感器(3)、音圈电机驱动器(4)、stm32单片机(5)、连接件(6)、adc芯片(7)、rs-485通信电缆(8)、rs-232通信电缆(9)、uart串口线(10)、电线(11)、模拟信号线(12)；所述的音圈电机(2)包括动子(21)、定子(22)；其中上位机(1)与stm32单片机(5)通过rs-485通信电缆(8)连接，stm32单片机(5)与音圈电机驱动器(4)通过rs-232通信电缆(9)相连，音圈电机驱动器(4)通过电线(11)与音圈电机相连；压力传感器(3)通过连接件(6)固定在音圈电机(2)的动子(21)上，压力传感器(2)与adc芯片(7)通过模拟信号线(12)相连，adc芯片(7)与stm32单片机(5)通过uart串口线(10)相连；所述的压力传感器(3)输出的电信号经过adc芯片(7)转换后，输出一个24位的数字信号；所述力值的输出范围在0-10n，精度为1mn；
6.该方法具体步骤如下：
7.步骤1：上位机(1)通过rs-485通信电缆(8)发送一个指令到stm32单片机(5)；
8.步骤2：上位机(1)指令发送到stm32单片机(5)，stm32单片机(5)根据该指令及单片机程序，通过rs-232通信电缆(9)发送指令到音圈电机驱动器(4)；
9.步骤3：音圈电机驱动器(4)根据指令通过电线(11)输出一个电流信号到音圈电机(2)；
10.步骤4：接收到电流信号后，音圈电机(2)的动子(21)开始移动，固定在动子(21)上的压力传感器(3)随着动子(21)移动，直到接触到物体；
11.步骤5：动子(21)接触到物体并稳定后，压力传感器(3)输出一个模拟信号，通过模拟信号线(12)传输到adc芯片(7)；
12.步骤6：adc芯片(7)将模拟信号进行模数转换，输出一个24位的数字信号，通过
uart串口线(10)传输到stm32单片机(5)；
13.步骤7：stm32单片机(5)根据数字信号进行分析，通过rs-232通信电缆(9)发送新的指令到音圈电机驱动器(4)，同时，stm32单片机(5)使用程序进行数据处理，得出一个力值，将这个力值对应的指令通过rs-485通信电缆(8)传输到上位机(1)；
14.步骤8：循环执行步骤2-7，直到步骤1中上位机(1)发送的指令与步骤7中stm32单片机(5)发送的指令相同，获得高精度力输出。
15.本发明与现有技术相比，其有益效果为：通过电流控制音圈电机直接输出力，会受到摩擦力、空气阻力的影响，从而导致输出的力精度不高，不能做到毫牛级力的输出，达不到大动态范围；本发明将高精度压力传感器与音圈电机进行耦合，利用主控芯片stm32单片机进行音圈电机的控制以及压力传感器的信号采集，实现闭环控制反馈，同时满足大动态范围和高精度两个关键参数，输出一个大动态范围高精度的力。本发明公开的方法是上位机传输一个指令到闭环控制反馈系统，输出力的动态范围大、精度高。
附图说明
16.图1是本发明的一种大动态范围高精度力输出装置及方法的装置图。
具体实施方式
17.下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。
18.如图1，本方法所应用的装置包括：上位机(1)、音圈电机(2)、压力传感器(3)、音圈电机驱动器(4)、stm32单片机(5)、连接件(6)、adc芯片(7)、rs-485通信电缆(8)、rs-232通信电缆(9)、uart串口线(10)、电线(11)、模拟信号线(12)；所述的音圈电机(2)包括动子(21)、定子(22)；其中上位机(1)与stm32单片机(5)通过rs-485通信电缆(8)连接，stm32单片机(5)与音圈电机驱动器(4)通过rs-232通信电缆(9)相连，音圈电机驱动器(4)通过电线(11)与音圈电机相连；压力传感器(3)通过连接件(6)固定在音圈电机(2)的动子(21)上，压力传感器(2)与adc芯片(7)通过模拟信号线(12)相连，adc芯片(7)与stm32单片机(5)通过uart串口线(10)相连；
19.大动态范围高精度力输出方法步骤如下：
20.步骤1：上位机(1)通过rs-485通信电缆(8)发送一个指令到stm32单片机(5)；
21.步骤2：上位机(1)指令发送到stm32单片机(5)，stm32单片机(5)根据该指令及单片机程序，通过rs-232通信电缆(9)发送指令到音圈电机驱动器(4)；
22.步骤3：音圈电机驱动器(4)根据指令通过电线(11)输出一个电流信号到音圈电机(2)；
23.步骤4：接收到电流信号后，音圈电机(2)的动子(21)开始移动，固定在动子(21)上的压力传感器(3)随着动子移动，直到接触到物体；
24.步骤5：动子(21)接触到物体并稳定后，压力传感器(3)输出一个模拟信号，通过模拟信号线(12)传输到adc芯片(7)；
25.步骤6：adc芯片(7)将模拟信号进行模数转换，输出一个24位的数字信号，通过uart串口线(10)传输到stm32单片机(5)；
26.步骤7：stm32单片机(5)根据数字信号进行分析，通过rs-232通信电缆(9)发送新
的指令到音圈电机驱动器(4)，同时，stm32单片机(5)使用程序进行数据处理，得出一个力值，将这个力值对应的指令通过rs-485通信电缆(8)传输到上位机(1)；
27.步骤8：循环执行步骤2-7，直到步骤1中上位机(1)发送的指令与步骤7中stm32单片机(5)发送的指令相同，获得高精度力输出。


技术特征：
1.一种大动态范围高精度力输出装置及方法，其特征在于，使用的装置包括：上位机(1)、音圈电机(2)、压力传感器(3)、音圈电机驱动器(4)、stm32单片机(5)、连接件(6)、adc芯片(7)、rs-485通信电缆(8)、rs-232通信电缆(9)、uart串口线(10)、电线(11)、模拟信号线(12)；所述的音圈电机(2)包括动子(21)、定子(22)；其中上位机(1)与stm32单片机(5)通过rs-485通信电缆(8)连接，stm32单片机(5)与音圈电机驱动器(4)通过rs-232通信电缆(9)相连，音圈电机驱动器(4)通过电线(11)与音圈电机(2)相连；压力传感器(3)通过连接件(6)固定在音圈电机(2)的动子(21)上，压力传感器(2)与adc芯片(7)通过模拟信号线(12)相连，adc芯片(7)与stm32单片机(5)通过uart串口线(10)相连，所述的压力传感器(3)输出的电信号经过adc芯片(7)转换后，输出一个24位的数字信号；所述力值的输出范围在0-10n，精度为1mn；该方法的具体步骤如下：步骤1：上位机(1)通过rs-485通信电缆(8)发送一个指令到stm32单片机(5)；步骤2：上位机(1)指令发送到stm32单片机(5)，stm32单片机(5)根据该指令及单片机程序，通过rs-232通信电缆(9)发送指令到音圈电机驱动器(4)；步骤3：音圈电机驱动器(4)根据指令通过电线(11)输出一个电流信号到音圈电机(2)；步骤4：接收到电流信号后，音圈电机(2)的动子(21)开始移动，固定在动子(21)上的压力传感器(3)随着动子(21)移动，直到接触到物体；步骤5：动子(21)接触到物体并稳定后，压力传感器(3)输出一个模拟信号，通过模拟信号线(12)传输到adc芯片(7)；步骤6：adc芯片(7)将模拟信号进行模数转换，输出一个24位的数字信号，通过uart串口线(10)传输到stm32单片机(5)；步骤7：stm32单片机(5)根据数字信号进行分析，通过rs-232通信电缆(9)发送新的指令到音圈电机驱动器(4)，同时，stm32单片机(5)使用程序进行数据处理，得出一个力值，将这个力值对应的指令通过rs-485通信电缆(8)传输到上位机(1)；步骤8：循环执行步骤2-7，直到步骤1中上位机(1)发送的指令与步骤7中stm32单片机(5)发送的指令相同，获得高精度力输出。

技术总结
本发明公开了一种大动态范围高精度力输出装置及方法，使用的装置包括：上位机、音圈电机、压力传感器、音圈电机驱动器、STM32单片机、连接件、ADC芯片、RS-485通信电缆、RS-232通信电缆、UART串口线、电线、模拟信号线；其中上位机发送一个指令到STM32单片机，STM32单片机根据该指令给音圈电机驱动器发送指令，音圈电机驱动器输出一个电流控制音圈电机动子移动，固定在动子上的压力传感器随着动子移动直到与物体接触，由压力传感器将模拟信号传输到ADC芯片，ADC芯片进行模数转换后将24位数字信号处理传输出到STM32单片机，STM32单片机使用程序进行数据处理，得出一个力值，将这个力值对应的指令通过RS-485通信电缆传输到上位机，循环以上几个步骤，直到上位机发送的指令与STM32单片机发送给上位机的指令相同，获得高精度力输出。输出力的范围在0-10N，精度为1mN。精度为1mN。精度为1mN。


技术研发人员：汪永其 沈常宇 李佳慧 朱周洪 赵天琦 周俊 李佳宝 石宇飞 鲜欣妍 尤杏儿 赵东华 宋含云
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2022/12/30