超磁致伸缩致动器的输出特性模型与虚拟测试技术研究

论文摘要

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,基于第三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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 致动器简介
• §1-2 超磁致伸缩致动器及其应用
• 1-2-1 超磁致伸缩材料
• 1-2-2 超磁致伸缩致动器的应用
• §1-3 超磁致伸缩致动器的模型及虚拟仪器简介
• 1-3-1 超磁致伸缩致动器的模型
• 1-3-2 虚拟仪器简介
• §1-4 选题依据及主要研究内容
• 第二章 超磁致伸缩致动器及其输出特性模型
• §2-1 超磁致伸缩致动器的结构及工作原理
• §2-2 磁致伸缩的物理效应及压磁方程
• 2-2-1 磁致伸缩的物理效应
• 2-2-2 压磁方程
• §2-3 静态模型
• 2-3-1 磁化强度及磁致伸缩模型
• 2-3-2 非线性压磁方程
• 2-3-3 致动器应变模型
• 2-3-4 静态模型分析
• §2-4 动态模型
• 2-4-1 模型建立的子系统
• 2-4-2 致动器的数学模型
• §2-5 本章小结
• 第三章 超磁致伸缩致动器的实验研究
• §3-1 静态特性实验
• 3-1-1 应变片法
• 3-1-2 微位移传感器法
• 3-1-3 千分表法
• §3-2 动态特性实验
• 3-2-1 动态特性实验系统组成
• 3-2-2 动态特性实验结果
• §3-3 本章小结
• 第四章 致动器输出特性虚拟测试系统的研制
• §4-1 传感器及信号调理电路
• 4-1-1 电流信号
• 4-1-2 应变信号
• §4-2 数据采集卡
• 4-2-1 PCI总线及其接口电路
• 4-2-2 模拟多路器
• 4-2-3 A/D转换及数据读取的实现电路
• 4-2-4 端口地址译码电路
• 4-2-5 PCI卡制作及PCB图设计注意事项
• §4-3 测试系统软件设计
• 4-3-1 开发平台的选择
• 4-3-2 系统总体设计程序框图
• §4-4 本章小结
• 第五章 致动器输出特性虚拟测试系统测试结果
• §5-1 静态实验结果
• §5-2 动态实验结果
• §5-3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢