反干涉齿轮集微机电系统密码锁鉴码问题

　　用在要害系统(指由于意外事故或人为破坏造成重大灾难性后果的系统[1,2])中的密码锁是一种能量门控或开关的机构,由驱动器、耦合器和鉴码器构成,能阻止外加能量通过屏障到达禁区内部[3].受制造技术发展水平的制约,早期的密码锁主要采用精密机械加的方法制作[4].目前,随着半导体制造工艺和超精密加工技术的迅猛发展,机械结构尺寸越来越细小,利用微机电系统技术使密码锁小型化已成为必然的趋势[527].

　　上海交通大学研制的基于准LiGA (X光深层光刻工艺、微电铸工艺和微复制工艺)工艺的反干涉齿轮集微机电系统密码锁具有结构简单、外型微小、寿命长、可靠性高、误解码率低等特点,是一种典型的机电一体化系统,其核心功能是访问意图密码的机械鉴别.本文研究了该微机电系统密码锁实现鉴码功能的驱动控制逻辑,并建立鉴码系统的动力学模型,分析了系统的模态和不同摩擦参数下的动力学响应,指出提高鉴码性能的有效措施.

　　1　密码锁及电流换相驱动控制

　　1.1　微机电系统密码锁

　　反干涉齿轮集微机电系统密码锁的结构如图1所示.该密码锁驱动器由两片电机定子(a)和一个电机转子(b)构成;鉴码器由两组反干涉齿轮集(i)、棘轮(f)、棘爪(g)和簧片(h)构成;耦合器由光纤(d)、准直器(e)和耦合轮(c)构成.驱动器的功能是按照访问意图密码驱动鉴码器.鉴码器功能是实现访问意图密码和授权密码(固化在机械结构中)的比对鉴别,只要访问意图密码中的任何一位出错,则鉴码机构锁死,从而实现对非授权使用控制的目的

　　1.2　电流换相驱动控制

　　鉴码器的两组反干涉齿轮集有16个齿位,要求微电机运转一周为16步,即每一步为22.5°机械角度.微电机每隔90°电角度进行电流换相,即可实现22.5°机械步进.三相四对极结构轴向磁场微电机Y连接,无中线引出,绕组两相通电或者三相通电.令A表示电流流入A相绕组;-A表示电流从A相绕组流出.B、C、-B、-C定义与此相同.有3种二三通电换相模式可以实现每周16步运动(见图2,图中,箭头方向代表换相的先后次序,不同的次序对应着转子不同的转向,可将其作为一种情况).根据图2,访问意图密码就可以转化为相应的微电机电流换相规律,实现微电机步进驱动,推动鉴码器按访问意图码序列动作,完成密码鉴别.

　　2　鉴码动力学分析

　　微机电系统密码锁的鉴码器的两个齿轮集轴系既包括可等效为转动惯量的的惯性元件,又包括可等效为扭转刚度的弹性元件.鉴码过程是驱动力矩、摩擦力矩对多刚体弹性轴系综合作用的结果.在此鉴码过程中,齿轮集可能发生振荡现象或转不到指定的位置,这将导致鉴码功能失效或产生碰撞现象.所以单靠电流换相控制是很难完成精密步进鉴码动作的,需要对鉴码过程进行动力学分析.