超磁致伸缩执行器控制系统的研究

论文摘要

随着微纳米技术的发展，人们对精密驱动及控制技术提出了更高的要求，并不断地采用新型功能材料和新型工作原理来提高精密驱动及其控制技术的水平。超磁致伸缩执行器是以新型功能材料——超磁致伸缩材料作为致动元件的一类微位移执行器，具有输出位移和输出力大、响应速度快等突出优点，已在超精密加工、流体控制机械等领域获得了广泛的应用，显示出巨大的发展潜力。本文首先分析了一下超磁致伸缩现象以及产生机理，然后详细研究了超磁致伸缩材料的一些基本特性，接着对超磁致伸缩执行器的结构简图以及工作原理进行了深入分析，并对超磁致伸缩执行器装置中的重要机械尺寸进行了计算，得出了一系列相关重要参数。然后在此基础上，根据电磁学知识对超磁致伸缩执行器装置中的磁路进行了研究，确定了超磁致伸缩执行器中的偏置磁场的大小和永久磁铁的选型以及超磁致伸缩执行器在正常工作时所需要的预应力的值，同时建立起了反映超磁致伸缩执行器的磁滞和涡流损失的数学模型。接下来根据超磁致伸缩执行器的控制对象特点，提出了基于位移闭环的控制方案。然后结合本系统，将积分分离PID算法应用到本控制系统中，实现了其数字化以及程序化，为闭环控制的实现奠定了基础。根据自动控制原理，结合超磁致伸缩材料的磁滞特性，本文建立了以高性能单片机为核心的超磁致伸缩执行器微位移闭环控制系统；分析和构建了构成系统所必需的微位移检测变送通道、模拟量输入通道、单片机控制单元、模拟量输出通道等重要组成部分；设计了控制系统的硬件电路部分，主要包括A/D转换电路、D/A转换电路、键盘显示电路，以及恒流源接口电路等部分的设计；结合C语言，并根据模块化编程思想，开发了控制系统的软件。软件部分主要包括系统主程序模块、采样与控制输出模块、键盘显示模块以及PID控制算法模块等其他相关功能模块，实现了数据采集、处理与控制输出等功能，并在软件和硬件的设计中采用了一系列措施来防止干扰对系统的影响。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超磁致伸缩材料的研究现状
• 1.2.2 超磁致伸缩材料的应用现状
• 1.2.3 超磁致伸缩执行器的数学模型的研究现状
• 1.2.4 超磁致伸缩执行器的控制算法的研究现状
• 1.2.5 超磁致伸缩执行器的装置的研究现状
• 1.3 论文项目来源及主要研究内容
• 2 超磁致伸缩执行器的机构研究以及数学模型的建立
• 2.1 超磁致伸缩材料的基本特性
• 2.1.1 磁致伸缩现象及其产生机理
• 2.1.2 超磁致伸缩材料的滞回特性
• 2.1.3 超磁致伸缩材料的倍频效应
• 2.1.4 超磁致伸缩材料的预应力特性
• 2.1.5 超磁致伸缩材料的弹性模量变化特性
• 2.1.6 超磁致伸缩材料的其他特性
• 2.2 超磁致伸缩执行器的机构研究
• 2.2.1 超磁致伸缩执行器的结构简图以及工作原理分析
• 2.2.2 超磁致伸缩棒特性以及相关参数计算
• 2.2.3 超磁致伸缩执行器内部交流电磁场的研究
• 2.2.4 超磁致伸缩执行器中偏置磁场的设计及永久磁铁的选型
• 2.2.5 超磁致伸缩执行器中预压力的确定
• 2.2.6 超磁致伸缩执行器的静态特性
• 2.3 超磁致伸缩执行器的数学模型的建立
• 2.3.1 基于 J-A 模型的超磁致伸缩执行器磁滞非线性动态模型的建立
• 2.3.2 考虑涡流条件下的超磁致伸缩执行器磁滞非线性动态模型的建立
• 2.4 本章小结
• 3 超磁致伸缩执行器的控制技术研究
• 3.1 超磁致伸缩执行器控制系统的控制方案选择
• 3.2 基于位移的闭环控制系统的设计
• 3.3 PID 控制算法的数字实现
• 3.3.1 数字式控制器的控制方法
• 3.3.2 传统 PID 控制器的分析与研究
• 3.3.3 增量式 PID 算法的程序化
• 3.3.4 积分分离 PID 控制算法
• 3.4 本章小结
• 4 超磁致伸缩执行器控制系统的硬件设计
• 4.1 超磁致伸缩执行器控制系统的整体结构
• 4.2 控制系统的硬件电路设计
• 4.2.1 控制器及其外围电路的设计
• 4.2.2 模拟量输出通道的设计
• 4.2.3 基于功率 MOSFET 的高稳定度双向可控恒流源的设计
• 4.2.4 微位移检测变送通道的设计
• 4.2.5 模拟量输入通道的设计
• 4.3 控制系统的硬件抗干扰设计
• 4.4 本章小结
• 5 超磁致伸缩执行器控制系统的软件设计
• 5.1 控制系统的软件设计
• 5.1.1 系统主程序
• 5.1.2 采样与控制输出子程序
• 5.1.3 键盘显示子程序
• 5.1.4 PID 控制算法子程序
• 5.2 控制系统的软件抗干扰设计
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 存在的问题
• 6.3 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集