翁玲[1]2003年在《磁致伸缩致动器控制系统的研制》文中研究指明根据自动控制原理，结合超磁致伸缩材料的磁特性，设计了磁致伸缩致动器位移控制系统，制作了控制系统的硬件电路板，并对此控制系统进行了硬软件调试。控制系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件系统是以TMS320C31为核心的电路，主要包括人机接口部分、模数转换器部分、存储器接口部分、数控恒流源等，软件主要实现数据采集、处理和数据输出等功能。本控制系统具有反应速度快、可控精度高、能实现自动控制等特点。 采用多参数磁测量系统对磁致伸缩材料的特性进行了测试及分析。测试了磁致伸缩材料静态特性和动态特性，包括材料的磁致伸缩、磁滞回线、动态磁致伸缩系数、柔顺系数、磁机械耦合系数等。分析表明测试结果具有可靠性和可重复性，测试特性可以作为磁致伸缩致动器的设计参数。 应用自动控制原理对致动器闭环控制系统进行了建模与仿真分析工作。建立了致动器的输入输出模型，推导了系统的传递函数，并在此基础上对系统进行了仿真分析。仿真分析包括模拟致动器的阶跃响应特性、频率响应特性和数字控制器实现致动器的预定指标等。 应用电路理论设计了致动器控制系统的硬件电路。控制系统的核心部分CPU采用DSP(TMS320C31)。电路设计主要包括译码电路设计、存储器接口电路设计、人机接口电路设计、AD转换器电路设计、数控恒流源接口设计等。绘制了PCB图，并对电路板进行了调试。调试结果表明，硬件电路设计合理，达到了预定设计指标。 进行了致动器时域特性测试和控制系统的安装调试。时域特性测试包括致动器静态特性测试和阶跃响应特性测试，并根据测试结果分析了被控对象的传递函数。控制系统的安装调试包括开环和闭环调试，调试结果表明，致动器控制系统工作稳定，反映速度快，可控精度高，可以达到了设计要求的步距小于0.2μm指标。
丁胜华[2]2006年在《超磁致伸缩致动器参数设计及其特性研究》文中进行了进一步梳理超磁致伸缩材料是20世纪中期开始出现的一种新型功能材料，与传统的磁致伸缩材料相比具有磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高等特点，因其优异的性能、良好的应用前景，一时间成了世界各国研究关注的热点。本文根据超磁致伸缩材料的性能特点及其在工业领域的应用特点，利用国产超磁致伸缩材料，在对以往微位移致动器研究的基础上，设计了一种精密控制的超磁致伸缩微位移致动器。文章主要在超磁致伸缩微位移致动器结构、驱动线圈电磁特性、温度抑制与补偿方法、驱动电源等方面进行了理论分析与设计。 在超磁致伸缩致动器的结构设计时，充分考虑到了闭合磁路的原则，这样能够大大减少漏磁，在激励电流相同的条件下，棒内磁场强度也有所提高。设计的线圈长度大于驱动棒长度，不仅保证了驱动棒所处磁场的均匀性，而且在获得相同强度的磁场时减小了稳定工作时的电流。本论文运用线圈形状优化设计方法对驱动线圈结构进行了优化设计，使线圈能在限定的尺寸下获得更高的电磁转化效率；通过对温度抑制与补偿机构原理与特点的对比讨论，笔者选择了简单易行的组合温控方法，结合软件补偿方法，基本上可以消除驱动线圈发热使构件产生热变形对输出位移的影响，从而保证其精度；在驱动电源设计中充分考虑了材料的特点，采用高效的开关调整型恒流源电路原理，并选择功率MOSFET设计了高频斩波功放电路，实验证明这种恒流源电路适于超磁致伸缩致动器的驱动，具有较高的稳定度。 在对超磁致伸缩微位移致动器进行结构设计及理论分析后，研究中利用制作的样机对致动器及数控恒流源进行了特性实验，包括静态特性实验和初步的动态特性实验，并在此基础上对实验数据进行了分析，从而提出了改进位移量输出线性度的几点措施。其中静态特性实验由预压力特性实验和静态位移输出特性实验组成，动态特性实验由阶跃响应输出特性实验、叁角波信号响应特性实验组成。最后概括了全文的主要研究结论，并展望了今后需进一步开展的工作。
董艳春[3]2006年在《基于Preisach磁滞模型的超磁致伸缩致动器的控制技术研究》文中研究表明超磁致伸缩致动器是利用超磁致伸缩材料作为致动元件的新型器件,它具有输出位移和力大、响应速度快、温度范围宽、低压可操作等突出优点,在超精密加工、机器人、减震控制等领域呈现出良好的应用前景。然而由于超磁致伸缩材料本身以及致动器的机械组成结构存在有较强的磁滞特性,导致致动器输出位移存在着滞回性强、重复性差、非线性严重等缺点,大大限制了致动器的定位精度,影响了该材料及其致动器更广泛的应用。 论文首先对超磁致伸缩材料及其应用作了介绍,对致动器模型和控制技术作了概述。 针对超磁致伸缩致动器的磁滞非线性,应用Preisach理论建立了致动器的磁滞模型;实验结果表明本文建立的致动器的磁滞模型能够准确的描述致动器的磁滞非线性,根据该模型推导出了致动器的逆磁滞模型,设计了前馈控制器对磁滞非线性进行补偿。在前馈控制的基础上,论文提出了前馈与反馈相结合的复合控制,充分利用前馈“及时补偿”和反馈“消除偏差”的优点,动态调整控制器的参数,来提高致动器的控制精度。 设计了基于TMS320F2812的控制器系统,包括A/D转换、D/A转换、时钟电路等模块,在CCS开发环境上设计了系统软件,在此基础上建立了致动器的闭环控制系统,对致动器系统的静态和动态特性进行了实验研究。实验结果表明通过前馈环节可以大幅度地补偿致动器的磁滞非线性,并使其响应速度变快,大大提高了致动器的控制精度。 最后,对论文的研究内容进行了总结并对在该领域的研究方向以及进一步的工作提出了建议。
李富[4]2007年在《超磁致伸缩致动器在电控阀门中的应用研究》文中研究说明超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型的功能材料,超磁致伸缩致动器(GMA)是利用超磁致伸缩材料研制出来的新型驱动器。相比压电类致动器具有应变大、能量密度高和响应速度快等特点。在精密定位以及流体控制具有广阔的前景。利用GMA取代传统驱动元件可提高电控阀门的响应速度和控制精度。本论文以超磁致伸缩致动器为基础,以电控阀门为研究对象采用理论分析和计算机仿真等方法对其深入的分析和研究。本文首先从实际应用的角度考虑,阐述了磁致伸缩现象的机理,给出了线性压磁方程,同时对超磁致伸缩材料的倍频以及预压力等特性进行了分析。介绍了致动器的结构以及工作原理,对其静态试验进行研究。然后通过建立单轴柔性铰链的转角刚度数学模型,结合几何变形关系分析了基于杠杆原理的微位移放大机构的放大倍数、刚度、位移损失以及频率特性,并利用有限元方法对微位移放大机构进行分析,计算出了放大倍数,刚度、共振频率、振型以及位移损失和负载力的关系。最后导出了超磁致伸缩致动器的静态位移输出特性和力输出特性的解析式,介绍了电控阀门的结构组成、工作原理;建立了阀芯运动系统的动态数学模型,利用MATLAB对其动态特性进行了仿真研究,分析阀芯等效质量、等效阻尼系数和弹性回复板刚度叁个结构参数对影响阀芯系统动态特性的影响,为电控阀门的研制提供了理论依据;推导出了滑阀式阀芯的压力-流量方程,拟定了电控阀门的控制方案,并用PID对系统动态特性进行改善。
傅龙珠[5]2003年在《稀土超磁致伸缩致动器的设计及实验研究》文中指出稀土超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高等是该类材料的显着特点，因其优异的性能、良好的应用前景，而得到世界各国学者的关注。本文根据稀土超磁致伸缩材料的特点及其在工业元件、系统中的应用要求，在以往微位移致动器的基础上，克服他们的不足，经过各方面的完善，设计出一种精确的、适合于主动控制的稀土超磁致伸缩位移致动器，主要在稀土超磁致伸缩致动器结构设计、电磁特性分析、功放系统以及最后的实验测试系统方面进行了设计，同时对温度冷却系统也做了一些理论设计。 在稀土超磁致伸缩致动器的结构设计方面，做到了稀土超磁致伸缩棒上下及四周用磁性材料构成闭合磁路，这样不仅提高了稀土超磁致伸缩棒内磁场的均匀性，而且在激励电流相同的条件下，棒内磁场强度也有提高；在电磁特性分析方面，采用了Ansys软件对稀土超磁致伸缩致动器进行有限元分析，从而对结构进行优化设计，保证其性能；在功放系统方面，分析了稀土超磁致伸缩致动器功放系统的特点，采用连续调整型恒流源的原理，并选用功率MOSFET作为功率放大元件，研制出可以满足驱动稀土超磁致伸缩材料的要求的功放系统；在实验测试系统方面，分析了稀土超磁致伸缩致动器及力传感器形状的特点，设计出包括：横梁、立柱、螺杆、底座，满足测量要求的测力支架；在温度冷却系统方面，采取强制水冷却方式，设计了包括：冷却水的循环回路、水温反馈电路、电热丝控制电路等部分的恒温冷却系统，这样使GMM棒冷却更充分更迅速，从而保证了GMM棒工作在恒温环境，消除了附加热变形对工作精度的影响。 在对稀土超磁致伸缩致动器进行结构设计及理论分析后，对其进行特性测试，包括静态特性和动态特性。其中静态特性实验由静态位移输出实验、静态力输出实验组成，动态特性实验由动态位移输出实验、动态动力输出特实验、动态响应实验组成，在此基础上对数据进行分析。最后概括了全文的主要研究成果，并展望了今后需进一步开展的工作。
张成明[6]2013年在《超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用》文中指出超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material-简称GMM）是一种具有双向可逆能量转换特性的智能材料。基于超磁致伸缩材料的致动器（GiantMagnetostrictive Actuator-简称GMA）相比传统结构型致动器，具有高精度、高速度、高可靠等特点。在精密运动控制、主动减振、精密流体控制等技术领域具有广阔的应用前景。本文以基于超磁致伸缩材料的致动器为研究对象，对超磁致伸缩材料基本电磁参数耦合规律、等效电路模型以及超磁致伸缩致动器的高均匀驱动磁场设计方法和动态损耗理论进行了研究。研制了不同结构的致动器原理样机，搭建了综合实验平台。研制了超磁致伸缩流量控制阀门（GiantMagnetostrictive Valve-简称GMV）并进行了试验测试。研究成果对超磁致伸缩材料致动器的设计和应用具有普遍指导意义，研制的超磁致伸缩阀门微流量控制领域具有现实应用价值。以磁致伸缩材料的线性压磁方程为出发点，基于自由能极小原理和磁畴偏转理论，推导了简化的超磁致伸缩材料应力-应变线性关系数学方程，直观表达出材料的电磁参数与输入激励之间的耦合规律，并定性地进行了试验分析验证。建立了超磁致伸缩材料的集总参数等效电路模型闭合磁回路下GMA等效电路模型，直观的表达了材料工作过程中宏观位移输出与外电路激励参数之间的耦合规律。在分析总结超磁致伸缩材料致动器磁路结构特点的基础上，利用等效磁路法对不同磁路结构螺线管线圈的驱动磁场变化规律进行了研究分析，得到了螺线管几何尺寸和磁路结构对驱动磁场均匀性和驱动效率的影响制约关系。研究结果表明：闭合磁路结构下，驱动线圈与磁致伸缩材料棒轴向长度一致时，材料棒的轴向磁场分布均匀性最好。导磁块的接触面直径对材料棒端部径向磁场分布规律影响最大。采用分段电流驱动的方式可以有效的改善材料棒轴向磁场均匀性，但是实现起来较困难。结合超磁致伸缩材料致动器的等效电路模型，推导了致动器电感参数的解析表达式。考虑磁致伸缩材料工作过程中磁导率变化特性，利用有限元方法分析了GMA电感参数的变化规律。进一步建立完善了GMA高均匀性驱动磁场和稳定电磁参数的优化设计准则。针对超磁致伸缩致动器中的基础热问题展开研究。基于磁畴偏转理论建立完善了超磁致伸缩材料磁化曲线的数值计算方法。对超磁致伸缩材料动态励磁条件下的磁场建立过程和损耗进行了分析计算，明确了超磁致伸缩致动器动态励磁下的各种损耗分配规律并进行仿真计算和分析。在此基础上，研究总结了超磁致伸缩致动器中的热传递、热平衡以及温升特性规律。研究结果表明：超磁致伸缩致动器的驱动频率将影响材料中的磁能损耗，导致超磁致伸缩致动器内部温度分布规律发生改变。低频下，磁致伸缩材料棒的端部温度高于中间位置；而高频下，材料棒中间位置的温度高于端部温度。最后，研制了基于超磁致伸缩材料的致动器。设计了专用驱动电流源，构建了GMA综合测试平台。针对GMA静态、动态位移输出特性进行了试验测试分析。结果表明GMA的动态响应取决于驱动电流源的响应时间，由于动态磁滞和涡流效应的影响，随着驱动电流频率的增加，GMA输出位移略有降低。研制了两种采用不同形状GMM棒的超磁致伸缩阀门。测试结果表明在稳态流量相同的情况下，具有位移放大机构的GMV较传统电磁阀的响应时间提高了近15倍；内部冷却型GMV单次开关的流量仅为0.0099g/s，结合PWM控制技术，非常适合在高压、高速、高精度的流量控制系统中应用。
胡爱娣[7]2007年在《超磁致伸缩致动器的输出特性模型与虚拟测试技术研究》文中研究指明超磁致伸缩致动器具有大位移、强力、响应快、可靠性高、漂移量小、驱动电压低等优点,因而在超精密加工、微马达、振动控制以及流体机械等工程领域均显示输出良好的应用前景,是一种很有潜力的新型智能驱动元件。由于缺少合适的建模工具,致动器的设计一直基于经典的工程方法:需要样机和测试,严重影响了其应用。此外,实验条件的落后已成为影响超磁致伸缩致动器应用研究的重要因素之一。对于超磁致伸缩致动器的实验研究方面,国内外大都采用传统的实验思路,使用多种专用的测试仪器,不仅成本高,而且功能不易扩展。因此开展致动器的模型及测试技术工作,具有很好的应用价值。本论文首先介绍了致动器的分类,以及超磁致伸缩材料的特点和超磁致伸缩致动器的应用,集中对致动器的模型以及虚拟仪器技术做了分析。随后,基于Jiles-Atherton磁化强度模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器的应变模型,建立了致动器的非线性静态模型。应用集总参数法,基于第叁类压磁方程建立了致动器的线性动态模型,应用该模型,对致动器的输出阶跃响应和频率响应进行了研究。应用实验室的传统仪器对致动器的静态和动态输出特性进行了研究。采用了应变法、微位移传感器法和千分表法测试了致动器的输出位移特性;研究了不同频率的驱动电流对致动器的输出应变的变化。研制了致动器输出特性虚拟测试系统。设计并制作了即插即用快速PCI数据采集卡;应用VC++与MATLAB混合编程的方法开发了测试系统的软件,把MATLAB在数值计算、算法设计以及数据可视化等领域的优势与VC++应用系统集成,提高了系统处理的效率和稳定性,缩短了软件开发的周期。对致动器输出特性虚拟测试系统进行联合调试,对其测试结果进行分析,并与传统仪器的测试结果进行了比较。本系统运行稳定可靠,基本达到预期目标。
江晓阳[8]2011年在《基于GMM和柔性铰链的大位移微致动器设计与研究》文中研究指明超磁致伸缩材料是从20世纪70年代迅速发展起米的新型材料,目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。超磁致伸缩材料以其位移分辨率高、应变大、输出力大、响应速度快和能量密度高等诸多优点,在军民两用高科技领域显示出广阔的应用前景。我国有着丰富的、优良的稀土资源,研究基于超磁致伸缩材料的微致动器对我国稀土材料产业的发展有着积极的推进作用。目前,利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应制作微致动器是国内外的研究热点,大多数研究集中在小位移的微致动器上,为了扩大其应用范围,论文结合超磁致伸缩材料和差动式位移放大机构,研制大位移微致动器,并对其关键技术问题进行理论和实验研究。论文以微致动技术为背景,论述了超磁致伸缩致动器的研究现状,并且介绍了超磁致伸缩材料、磁致伸缩机理、物理效应及其应用。在超磁致伸缩材料的工作特性的基础上,完成大位移微致动器的设计,主要包括GMM棒的选型、线圈的设计、磁路结构的设计、预压机构的设计、温控结构的设计和位移放大机构的设计等。针对所设计的大位移微致动器,在理解ANSYS软件的电磁场分析理论的基础上,建立了其叁维有限元分析模型,分析了其磁场特性。分析结果表明,磁路结构设计合理,GMM棒上的磁感应强度满足要求,漏磁较少。同时,分析了线圈高度以及壳体、输出轴和后端盖等部件的材料对驱动磁场轴向分布特性的影响,对磁路设计和优化具有重要的指导意义。位移放大机构采用全柔性结构,建立了倒圆角型柔性铰链的力学模型,分析了最小厚度、直梁段长度和倒圆角半径等结构参数对其转角刚度和拉伸刚度的影响,为柔性铰链结构参数的确定提供理论依据。采用有限元分析方法对位移放大机构进行了静力学分析和模态分析,分析结果表明,位移放大机构的放大倍数、输入刚度和输出刚度可以视为常数,放大倍数达到6.8,在输入位移为80μm的作用下强度能够满足要求。采用压磁方程描述GMM棒的磁机耦合关系,通过建立大位移微致动器的动力学模型仿真分析了其动态特性,分析结果表明大位移微致动器的时域特性和频域特性较好。同时,分析了大位移微致动器的结构参数对动态特性的影响,为大位移微致动器的动态设计和优化提供理论依据。论文对大位移微致动器进行了测试和实验研究,包括磁场特性、输出位移特性、稳定性以及位移放大机构的性能。研究结果表明,采用ANSYS软件建立大位移微致动器的叁维有限元分析模型和分析结果正确；采用ANSYS软件分析位移放大机构的放大倍数与实验吻合；采用压磁方程描述的磁机耦合关系正确,稳态输出与实验结果吻合。
王汉玉[9]2017年在《超磁致伸缩致动器热特性分析及热形变补偿方法研究》文中提出超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)是一种新型磁控功能材料,可实现电磁能和机械能的双向转换。以GMM为核心元件的超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA),具有驱动位移精度高、响应快、结构简单等优异特性。在精密和超精密加工、主动振动控制、流体机械等工程领域具有广阔的应用前景。然而,由于GMM固有的磁滞特性、涡流特性引起的温度变化严重影响着GMA的输出精度,并降低其工作性能,限制了其在精密、超精密驱动设备领域的发展。本文以提高GMA工作精度、拓展其在精密与超精密加工领域的应用为研究目标,对GMM的涡流损耗特性、非线性本构行为以及GMA的温度特性、热补偿控制方法和非线性多场动态耦合本构模型展开了系统研究,研制了具有热补偿功能的GMA。针对时变磁场下GMM的涡流损耗问题,基于麦克斯韦电磁方程及涡流效应,建立了考虑涡流效应及径向磁场分布不均的GMM古典涡流损耗数学模;基于微观磁学理论、MO(Magnetic Object)概念研究了GMM超涡流损耗,并建立了考虑应力影响的超涡流损耗数学模型。利用热力学理论和能量守恒定律,建立在磁场、应力与温度共同耦合作用下,包含磁滞及涡流损失的GMM非线性本构耦合磁滞模型;再以动量定理为基础,建立了精密微位移GMA的非线性多场耦合动态模型研究。采用有限元分析法对GMA内部磁场及温度分布规律进行分析,研究GMA热变形补偿控制方法,设计了具有热补偿功能的GMA。搭建GMA性能测试系统,对其进行补偿结构、动静态下位移输出特性、温度特性、压力特性实验研究。实验结果表明,3A直流激励下连续工作120mins GMA的温度可达到87.4℃;动态激励下150Hz为GMA内部两种热源分界点;补偿结构在中低温(小于45℃)补偿效果较好;GMA的最佳预紧力为18MPa。静态激励下GMA的位移输出与激励电流间存在磁滞特性,激励电流4A、2A时GMA的输出位移分别为81.6μm、54.1μm;2A交流条件下,GMA的最佳工作频率为500Hz。研究结果对GMA的温度控制及其热致变形提供一种有效的新方法,同时对提高GMA的工作精度、推进其在精密与超精密加工领域的进一步应用具有重要意义。
陈敏[10]2008年在《基于FEA的超磁致伸缩微致动器的热分析及其温控研究》文中研究指明超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型高效的磁-机转换材料,被视作21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。GMM具有输出力大、位移分辨率高、响应速度快等诸多优势,已在超精密加工、微电子技术、生物工程、光纤对接、微型零件操作等领域显示出广阔的应用前景。利用GMM的磁致伸缩效应而制作的超磁致伸缩致动器(GMA)是目前国内外微致动领域的研究热点,已取得不少成果。但总体而言,GMA处于实验阶段,特别是在GMM材料热变形抑制等方面,尚存在不足,影响了GMA的实际应用。论文针对该问题,在GMA的设计阶段,对其进行热分析及展开温控研究,以尽量消除或抑制温升给致动器所带来的不利影响,使其具有更好的工作性能和更高的输出位移精度,从而进一步推广它在精密、超精密技术领域的应用。论文综述了稀土超磁致伸缩材料的发展、性能优势及其应用,以及超磁致伸缩致动器的特点及其应用研究现状。在比较分析现有的GMA热致变形抑制方法的基础上,确定了恒温强制水冷的温控方式,设计了完整的恒温水冷温控系统。利用有限元分析方法,对无温控结构和单水冷腔结构的GMA进行了大电流长时间工作条件下的分析。比较结果表明,恒温水冷的温控方式对于抑制GMA的温升是很有效的,但单水冷温控效果仍然不够理想。进而提出了一种具有双水冷腔结构的GMA,并进行了相同条件下的有限元热分析。结果表明,温控效果比单水冷腔结构的GMA更为良好。对具有双水冷腔GMA的局部结构、内外水冷腔的材料选择进行了热优化,确定了最终的GMA结构参数和所采用材料的热属性参数。然后对优化后的双水冷腔GMA分别进行了单水冷和双水冷条件下的热分析,并分别给出了不同电流强度对其GMM棒的温升影响曲线图,进一步验证了具有双水冷腔GMA的优越性。以实验方式验证了具有双水冷腔GMA的温控效果。搭建了实验平台,确定了实验条件,进行了GMA热变形实验。实验结果表明,具有双水冷腔的GMA温控效果很理想。最后对全文进行了总结,并对以后有待进一步研究的工作进行了展望。
参考文献：
[1]. 磁致伸缩致动器控制系统的研制[D]. 翁玲. 河北工业大学. 2003
[2]. 超磁致伸缩致动器参数设计及其特性研究[D]. 丁胜华. 山东科技大学. 2006
[3]. 基于Preisach磁滞模型的超磁致伸缩致动器的控制技术研究[D]. 董艳春. 河北工业大学. 2006
[4]. 超磁致伸缩致动器在电控阀门中的应用研究[D]. 李富. 河北工业大学. 2007
[5]. 稀土超磁致伸缩致动器的设计及实验研究[D]. 傅龙珠. 浙江大学. 2003
[6]. 超磁致伸缩致动器的电—磁—热基础理论研究与应用[D]. 张成明. 哈尔滨工业大学. 2013
[7]. 超磁致伸缩致动器的输出特性模型与虚拟测试技术研究[D]. 胡爱娣. 河北工业大学. 2007
[8]. 基于GMM和柔性铰链的大位移微致动器设计与研究[D]. 江晓阳. 武汉理工大学. 2011
[9]. 超磁致伸缩致动器热特性分析及热形变补偿方法研究[D]. 王汉玉. 沈阳工业大学. 2017
[10]. 基于FEA的超磁致伸缩微致动器的热分析及其温控研究[D]. 陈敏. 武汉理工大学. 2008
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