基于逆磁致效应的超磁致伸缩微驱动方法研究

论文摘要

精密加工作为发展尖端科技的基础,也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志,而精密微驱动技术是实现精密加工的关键。超磁致伸缩微位移执行器(GMA)以位移范围大、输出力大、响应速度快、位移分辨力高、驱动电压低等优点,在微驱动、精密定位、主动降噪减震等领域有着广阔的应用前景。本文以直动型GMA为对象,为实现自感知原理研制了新样机。改进了超磁致伸缩微位移执行器水冷机构并使其小型化,提高了输出性能;并针对超磁致伸缩微位移驱动器在恒力作用下具有良好的微驱动特性,而在变力作用下输出存在严重非线性的问题,进行了基于逆磁致效应的自感知型GMA的探索性研究,提出了变力扰动量的分离方法并进行了相应的实验研究,这对于提高超磁致伸缩微位移执行器的输出特性和推进其应用有一定的指导意义。本文首先从磁致伸缩机理出发,分析应变、应力、磁场强度、磁感应强度及温度之间的相互关系,确定了GMA输出非线性的原因。设计的实验平台包括:执行器主体、磁感应强度和温度传感电路、基于DSP的主控电路、基于LabView的数据处理显示系统。其次对基于逆磁致效应的自感知信号的分离方法进行了研究,包括基于电桥电路、加探测线圈、建立状态观测器三种方法。以压磁方程为基础,推导了不同工作边界条件下应力与感知信号的关系,作为数据处理系统的理论依据。理论得到电桥法中感知信号与输出速度成正比,而观测磁感应强度的方法感知信号与应力成正比。最后对设计的执行器进行了系统实验分析。温度和磁感应强度传感电路的测量精度满足要求,可用于自感知研究中对磁场的监测。设计的驱动线圈磁场均匀性有了提高,最大衰减由13.0%降低到4.95% ;设计的水冷机构能够使执行器工作温度稳定在0.2℃内;小电流驱动下执行器输出位移固定位置的蠕变在20nm以内;同样驱动电流下,输出位移比原样机大了一倍,并且升程曲线线性度较好;执行器位移输出重复性误差在100nm以内;通过步进驱动电流可控制位移步进输出在50nm以内。在以上良好的位移输出特性基础上利用监测磁场的方法实现了恒驱动电流下力的自感知功能,与标准力传感器的测量值对比在200N的动态力范围内最大误差不到20N。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 超磁致伸缩材料的发展与应用
• 1.3 磁致伸缩微位移执行器发展与应用
• 1.4 自感知超磁致伸缩微位移执行器
• 1.4.1 自感知执行器的概念
• 1.4.2 自感知磁致伸缩执行器国内外研究现状
• 1.5 课题来源与研究内容
• 第2章 超磁致伸缩材料正逆效应及特性
• 2.1 引言
• 2.2 磁致伸缩现象机理
• 2.3 磁致伸缩自感知机理
• 2.4 超磁致伸缩材料的特性
• 2.4.1 基本物理特性
• 2.4.2 温度影响
• 2.4.3 预压应力影响
• 2.4.4 滞回现象
• 2.4.5 倍频效应
• 2.4.6 △E 效应
• 2.4.7 其他特性
• 2.5 影响磁致伸缩逆效应性能的主要因素
• 2.5.1 预压应力的影响
• 2.5.2 偏置磁场的影响
• 2.5.3 其他因素影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 直动型磁致伸缩执行器设计
• 3.1 引言
• 3.2 直动型GMA 系统的总体结构
• 3.3 高均匀磁场的激磁线圈设计
• 3.3.1 轴对称空心圆柱线圈的磁场模型
• 3.3.2 轴对称空心圆柱线圈空间磁感应强度分布仿真
• 3.3.3 Helmholtz 型补偿线圈设计
• 3.4 冷却系统设计
• 3.5 应变输出机构
• 3.6 传感电路设计
• 3.6.1 温度传感
• 3.6.2 磁感应强度传感
• 3.7 程控恒流源
• 3.8 主控电路设计
• 3.9 本章小结
• 第4章 磁致伸缩逆效应及GMA 自感知方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 磁致伸缩逆效应及压磁方程
• 4.2.1 磁致伸缩逆效应概述
• 4.2.2 压磁效应边界条件及方程
• 4.3 基于电桥电路的自感知方法研究
• 4.4 外加探测线圈的力感知方法研究
• 4.5 基于观测器的自感知GMA 方法与实验研究
• 4.5.1 基本原理
• 4.5.2 观测器参数测定与输出仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统整体测试与自感知实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 传感器的标定实验
• 5.2.1 自制温度传感器
• 5.2.2 自制霍尔传感器
• 5.3 激磁线圈磁场均匀性测试实验
• 5.4 水冷机构控温实验
• 5.5 执行器位移输出实验
• 5.5.1 输出位移的特性
• 5.5.2 固定位置的蠕变实验
• 5.5.3 输出位移重复性实验
• 5.5.4 输出位移分辨力实验
• 5.6 基于观测器法的力感知实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢