（机械制造及其自动化专业论文）基于超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究.pdf

摘要 捅要 超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁( 电) 一机械能转换材料，具有磁致伸缩系 数大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力大等优点。基于超磁致 伸缩材料的微位移驱动器的研究己成为国内外的研究热点之一。本文根据超磁致伸 缩材料的基本特性，对超磁致伸缩驱动器及其控制技术进行了较深入的研究和探索， 为超磁致伸缩材料的应用研究打下了良好的基础。 本文在对超磁致伸缩材料机理及其基本特性研究分析的基础上，研制了超磁致 伸缩微位移驱动器系统，并对其进行了相关实验研究。 利用连续调整型恒流源的原理，研制了高精度、智能化驱动器恒流电源，从而 实现变阻恒流的目的，通过激励线圈驱动微位移驱动器工作。 以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 和p c 微机为平台，进行微位移驱动器控制系统总体结构 设计，进行控制系统相关硬件选配和设计，进行控制系统软件的开发，其中包括上 位p c 机控制界面模块、d s p 与p c 的通信接口软件模块、以及系统的控制软件模 块等，最终完成满足超磁致伸缩微位移驱动器驱动控制要求的控制系统，实现对微 位移驱动器自动控制的目的。 用分析法和实验法分别建立了所研制驱动器的控制模型，在此基础上，进行了 驱动器控制系统控制调节技术的研究，用p i d 调节技术成功实现对超磁致伸缩微位 移驱动器的控制，并进行模糊自适应p i d 控制调节技术的研究，应用m a t l a b 软 件工具对模糊自适应调节技术进行了仿真实验，也取得了较好的效果。 对所研制的驱动器控制系统进行实际控制测试实验，获取了控制系统的动静态 特性，定量分析了系统的控制误差，分析了系统存在的干扰源及可行的抗干扰措施。 关键词：超磁致伸缩驱动器驱动电源d s pp i d 控制模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a li san e wt y p eo fm a g n e t o ( e l e c t r o ) - m e c h a n i c a l e n e r g yc o n v e r s i o nm a t e r i a l ，d u et oi t sg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v es t r a i n 1 1 i g hp o w e rd e n s i t y , l l i g he l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o e f f i c i e n t h i g hr e s p o n s es p e e da n dh i g hf o r c eo u t p u t , t h i sn e wk i n do ff u n c t i o n a lm a t e r i a lh a sb e e n w i d e l yc o n c e r n e d i nt h ef i e l do f m i c r o d i s p l a c e m e n ta c t u a t o rs t u d yi nc h i n aa n da b r o a d b a s e do nt h eb a s i cp r o p e r t yo f g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，t h i sp a p e rg o e sd e e pi n t ot h er e s e a r c ha n de x p l o r e m e n to f g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o ra n di t sc o n t r o lt e c h n i q u e ，e s t a b l i s h e st h ea p p l i c a t i o ns t u d y f o u n d a t i o no f t h em a t e r i a l b a s e do nt h es t u d yo f g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l sb a s i cp r o p e r t y , ag i a n t m a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ( g m a ) i sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，a n di t se x p e r i m e n ts t u d y i sd e v e l o p e d t h eh i 曲p r e c i s ea n di n t e l l i g e n t d r i v i n gp o w e rs u p p l yw h i c hi su s e dt od r i v eg m a i s s t u d i e da n dm a n u f a c t u r e d t h ee o n t r o l a b l ed r i v i n gp o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e do nt h e b a s i so f t h ep r i n c i p l eo f c o n t i n u o u sr e g u l a t i n gc o n s t a n tc u r r e n tp o w e r s u p p l y b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dp e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) ，t h ec o n t r o l s y s t e mo fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o ri se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi s s e l e c t e do rd e s i g n e d ，a n ds y s t e ms o f t w a r ei sp r o g r a m m e dt od r i v eg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r ，i n c l u d i n gu s e ri n t e r f a c em o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb e t w e e nd s p a n dp c ，a n dc o n t r o ls o f t w a r em o d u l e t h ec o n t r o lm o d e lo fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o ri se s t a b l i s h e db ya n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t i nt h i sc a s e ，t h ep a p e rf o c u s e so nr e s e a r c ho f g m a sc o n t r o lt e c h n i q u e p i d c o n t r o lt e c h n i q u ei s s u c c e s s f u l l yr e a l i z e d i nt h ec o n t r o l s y s t e m f u z z ya d a p t i v e p i d ( f a p i d ) c o n t r o lt e c h n i q u ei sa l s or e s e a r c h e df o rt h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h es i m u l a t i v e r e s u l to f f a p i ds e e m sg o o d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fg m a sc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do n t h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls y s t e mi sa t t a i n e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o da n dt h e c o n t r o lp r e c i s i o no ft h es y s t e mi sa n a l y z e d t h ei n t e r f e r e n c es o u r c ea n da n t i i n t e r f e r e n c e t e c h n i q u eo f t h es y s t e mi sa l s or e s e a r c h e d a b s t m c t k e y w o r d s ：g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o rd r i v i n gp o w e rs u p p l y d s p p i dc o m r o l f u z z yc o n t r o l 马志新基于超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着现代科技的飞速发展，产品性能的不断提高，对于零件的制造和加工精度 的要求也越来越高。作为基础工业的机械制造业，其发展的核心问题之一就是如何 进一步提高机械加工的精度和质量。机械加工精度的高低，往往是一个时代制造水 平的标志【1 】。因此，作为先进制造技术的重要组成一精密加工( 加工精度在o 1 l g m ， 表面粗糙度在0 0 2 o 1 l a m 之间) 和超精密加工( 加工精度高于0 1 9 m ，表面粗 糙度r a 小于o o l i _ u n ) 技术 2 1 ，已成为当前制造技术的研究热点和重要发展方向之 一。在某种程度上，精密、超精密加工技术将决定一个国家的航空航天、微电子、 光学、机器人、生物、医学及遗传工程等尖端技术的发展与未来。 微驱动技术或称精密驱动技术是实现精密和超精密加工的基础条件，也是精密 和超精密加工技术的关键技术之一3 1 。精密和超精密加工中微驱动技术的最终表现 为机床的移动部件问的相对位置运动。传统微驱动装置通常采用精密丝杆一楔块机 构、齿轮一杠杆机构等机械传动式微位移驱动器，由于机械结构总是存在着机械间 隙、摩擦力以及爬行现象，难以达到精密控制要求。为此，人们试图摆脱单纯的机 械传动形式，以探索新型的微驱动方式。利用物性效应和能量转变是当前微驱动器 发展的一个重要方向，借助于功能材料、智能材料等物性的转变实现微位移驱动。 目前根据物性转变形式的驱动器主要有压电式、电致伸缩式、形状记忆合金( s m a ) 驱动式等多种形式【4 】。压电式和电致伸缩式是目前应用较广泛的微位移驱动器，它 们具有精度高、不发热、响应速度较快等优点，但输出力小、驱动电压高等缺点也 限制了它们的应用；而形状记忆合金虽然是已知的功能材料中变形量最大的一种， 但其响应速度慢，其形变过程不连续，因而也致使其应用范围难以拓展。 近年来，随着一些新型功能材料的出现，使微位移驱动器的研究方面开拓了一 片新的领域。稀土铁系超大磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，简称 g m m ) 就是一种新型高效的磁( 电) 一机械能转换材料，它是一种在室温低磁场下有 扬州人学硕十学位论文 2 很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁系化合物，典型成分为乃，瑚一；f e ：一，式中x 表 示t b 上砂之比，y 代表月凡之比( 其中r 为稀土元素) ，x 般为o 2 7 0 3 5 ，y 为o 1 o 0 5 。与压电材料p z t 及传统的磁致伸缩材料n i 、c o 等相比，超磁致伸 缩材料具有独特的性能。其室温下磁致伸缩应变值可达1 5 0 0 2 0 0 0 p p m ，是n i 、c o 材料的4 0 5 0 倍，是p z t 的5 8 倍；能量密度达1 4 0 0 0 2 5 0 0 0 j m 3 ，是n i 、c o 材料的4 0 0 5 0 0 倍，是p z t 的1 0 1 4 倍；输出力可达2 2 0 8 8 0 n ；磁( 电) 一机耦 合系数大，响应速度快( 达到邺级) ，具体数据详见表1 1 。 表l - 1 几种常用功能材料的典型性能指标 性能 t e r f e n o l - d 镍压电陶瓷 化学成分 r b o 2 7 d 。n 如9 3 n i 9 8 锆钛酸铅 杨氏模量( g p a ) 2 5 3 53 2 07 3 压缩强度( m p a )7 0 0 热膨胀系数( x 1 0 。o c )1 21 3 3l o 伸缩应变( p p m ) 1 5 0 0 2 0 0 04 02 5 0 密度( k g m 3 ) 9 2 5 x 1 0 38 9 1 0 37 5 1 0 3 能量密度( j m ) 1 4 0 0 0 2 5 0 0 03 09 6 0 居里温度( o c )3 8 03 5 43 0 0 机磁( 电) 耦合系数 0 7 20 1 6 0 2 50 6 8 由于超磁致伸缩材料本身固有的优良特性，因而对超磁致伸缩材料研究已成为 国内外功能材料的研究热点。近年来，西方工业国家均投巨资对磁致伸缩材料的生 产工艺、材料性能以及应用技术进行了广泛研究，并己开发出相应的商品化产品， 其性价比在不断上升。在国内，包括中科院物理所在内的几家科研单位已经成功研 制出稀土类超磁致伸缩材料，但总体来说国内在超磁致伸缩材料及其应用技术的研 究还刚刚起步。我国具有丰富的稀土矿产资源优势，因此在国内进一步歼展超磁致 伸缩材料以及超磁致伸缩材料的应用技术研究，这对形成新的经济增长点和高技术 产业等方面都具有深远的意义。 本论文针对精密、超精密加工的实际需要，利用超磁致伸缩材料优良特性，从 事基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器的研究，进行微位移驱动器结构设计、数学 建模、实验分析以及系统控制技术的研究，以完成一个具有自动控制功能的高精度、 高灵敏度的微位移实验平台。 马志新基丁超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究3 1 2 课题研究与应用现状分析 1 2 1 超磁致伸缩材料研究现状 3 , 5 - 8 1 对于磁致伸缩材料的研究要追溯到二十世纪4 0 年代，那时n i 、c o 多晶磁致 伸缩材料已进入了应用阶段。到上世纪6 0 年代初，人们发现了稀土元素具有很多独 特的磁特性。1 9 6 3 年由l e g v o l d 等人发现稀土金属铽( t b ) 和镝( d y ) 在低温下的磁致 伸缩是传统磁致伸缩材料的1 0 0 1 0 0 0 倍，这使得磁致伸缩材料出现了突破。但由于 它们的有序化温度很低，因此不能用来做成可在室温下工作的器件。 到了2 0 世纪7 0 年代初，人们开始研究可在室温下工作的稀土超磁致伸缩材料。 为了提高材料的居里温度，在常温下得到稳定的磁致伸缩特性，研究者们采用合金 化来改变磁致伸缩材料的元素组合。美国海军水面武器研究中心的c l a r k 博士于 1 9 7 2 年发现t b f e 2 ，d y f e 2 等二元稀土铁合金在室温、低磁场下有很大的磁致伸缩系 数：1 9 7 4 年又发现三元稀土铁合金在常温下饱和磁致伸缩系数达到1 旷数量级，磁 机耦合系数大于0 6 ，并成功地将其推向实用化。接着，美国、瑞典和日本等国的一 些商业公司和研究机构对三元稀土铁合金也进行了大量的研究，采用了不同的工艺 和配比制成了具有各种规格的超磁致伸缩材料。到上世纪8 0 年代中期实现了稀土超 磁致伸缩材料的商品化，主要品牌有美国e d g et e c h n o l o g i e s 公司的t e r f e n o l d ( r b o ”d m 7 3 f e 2 ) 和瑞典f e r e d y na b 公司的m a g m e k8 6 ( 乃h 2 7 d 脚3 f e l9 3 ) 等。自 1 9 8 8 年以来，因材料制备工艺方面的突破，超磁致伸缩材料的研究进入快速发展阶 段。据美国前沿技术公司统计，全世界t e r f e n 0 1 d 合金产量1 9 8 9 年仅为1 0 0 k g ，到 1 9 9 3 年约为l o o o k g ，1 9 9 5 年达到1 0 吨，而到1 9 9 7 年其产量已达7 0 吨。最近几年 来，t e r f e n o l - d 材料的市场年增长率为1 0 0 ，稀土超磁致伸缩材料己进入一个稳定 的需求增长期。 国内由于对稀土超磁致伸缩材料研究起步较晚，相关理论研究主要集中在材料 工艺特性方面，但进展较为迅速。几个重要的研究单位于上世纪9 0 年代前后相继开 始从事t b d y f e 晶体磁致伸缩材料的研究，如北京科技大学、北京有色金属研究总 院、包头稀土研究院、中国科学院物理研究所、金属所、中国科学院上海冶金研究 所等单位都相继从事磁致伸缩材料的研究，所研制的产品主要性能指标己接近或达 扬州大学硕十学付论文4 到国际同类产品先进水平，但目前都还没有形成规模化生产。近年来，稀土超磁致 伸缩材料的应用研究在国内也得到了重视，在声纳、精密机械、高速阀门等领域方 面的应用都取得了一些进展。但总体来说，国内对超磁致伸缩材料的基础与应用研 究与国外相比还有较大的差距。 1 2 2 超磁致伸缩驱动器的研究与应用现状 与传统材料比较，超磁致伸缩材料具有十分明显的性能优势，因而基于g m m 的超磁致伸缩驱动器( g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e a c t u a t o r ，g m a ) 的研究已成为国内外 研究的热点。在许多领域，尤其是在机电工程领域内已展现出良好的应用前景 9 1 。 下面将简要介绍国内外对g m a 的研究及应用现状。 1 、在声纳系统中的应用i j 以往的声纳大多采用压电陶瓷( p z n 作为水声换能器材料，这种换能器需要几 千伏的驱动高压，尺寸大、频带窄，不能在低频下使用。而超磁致伸缩材料具有应 变大、低频响应好、频带宽等特点，是制作大功率、低频、宽带水声换能器的理想 材料。因此，它最早由美国海军部门应用于低频声纳系统中。国际上最先使用的 t e r f e n 0 1 d 换能器被称之为方环换能器，是一种内方外圆形的水下器件，如图1 - 1 所示。其驱动部分是由4 根6 3 5 r a m x 5 0 r a m 的t e r f e n 0 1 d 棒组成，其共振频率可达 2 k h z 。这种类型的换能器被用于美国g o u l d 公司和r a y l h l o n 公司的最早商品化水听 器中。 图1 - 1 超磁致伸缩材料方环换能器 日本学者w a k i w a k a 也采用超磁致伸缩材料设计了声纳换能器。他采用8 根 矿2 0 m m x l 2 0 m m 的t e r f e n 0 1 d 棒作为振动源，并由上、下各一块永久磁铁提供一定 的偏置磁场，以便超磁致伸缩棒工作在线性区；调整预紧弹簧的变形量，可以对超 磁致伸缩材料施加适当的预压力。理论上，该换能器机电耦合系数可达7 3 ，声源 马志新 基丁超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究 信号可达1 9 2 d b 。 在国内，冶金都钢铁研究总院7 1 5 研究所也成功地将国产超磁致伸缩材料应 用于水声换能器的研究。目前，稀土超磁致伸缩材料将有望定为世界公认的标准声 纳换能器材料。 2 、在流体机械中的应用 9 1 2 - 1 4 】 电( 磁) 一机转换器是流体控制阀的关键部件，由于超磁致伸缩材料具有响应 速度快、输出力大，并可在低磁场强度下工作等特性，采用超磁致伸缩材料作为电 ( 磁) 一机转换器将极大的提高流体控制阀的性能。 姑辩 井罩 麓冀射蕾 】预缩压压力油口2 腑苍3 g 加滞4 缝圈 5 调节螺钉6 骨来7 阀俸 8 位移传感器 图1 2 基于0 m i - i 的燃料喷射溷图1 - 3g s m 直动式伺服阀驴 在国外，这种基于超磁致伸缩材料的电( 磁) 一机转换器研究相当广泛，不少 器件已经成功应用于生产实际当中，取得了良好效果。瑞典一家公司将t e f f e n 0 1 d 材料用于燃料喷射阀，如图卜2 所示，它通过对驱动线圈电流的控制，驱动g m m 棒 产生伸缩位移，实现燃料喷射阀阀口的开启或关闭，达到控制燃料液体流动的目的。 这个简单的设计可使燃料在喷射过程中实现快速、准确地燃料流动无级控制，同时 也为实现燃料系统或排气系统的更快、更精确的计算机自动控制提供了可能。 日本t a k a h i r ou r a i 等人用g m m 转换器推出了直动式伺服阕，采用闭环控制， 其结构如图1 - 3 所示。它通过位露传感器和放大器，采用比例积分( p i ) 闭坏控制 策略，对超磁致伸缩材料磁场的非线性变形特性加以调节。该直动式伺服阀具有结 构紧凑、控制精度高、响应速度快特点，其最大输出流量达2 l m i n ，频带宽为6 5 0 h z 。 图卜4 为德国e q u a n d t 等人研制的一种g m m 微型阀的结构原理图。利用g m m 薄膜的伸缩效应可实现阀口的控制。当外加磁场为零时，通道口与镀有o m m 薄膜 扬州入学硕十学位论文 6 的基片紧紧相接，阀口关闭，无液体流动，如图l - 4 ( a ) 所示；当有外加磁场时，g m m 薄膜发生变形使基片发生弯曲，这时阀口打开，液体从入口流至出口，如图卜4 ( b ) 所示。实验表明，当外加磁场强度为3 0 m t 时，阀口开度最大。 片 通逼 入u ( a ) 关阀 ( b ) 开阀( e ) a 向截面图 翻i - 4 g m m 徽礤阀 此外，美国的( 3 0 0 d f r i e n d 等人用g m m 转换器作为驱动器改造了一台高频比例 滑阀，在3 0 0 h z 时阀芯位移达0 3 r a m ，其驱动信号频率最高为5 k h z 。 在国内，浙江大学利用g m m 对气动喷嘴挡板伺服阀和内燃机燃料喷射系统的 高速强力电磁阀进行了结构设计和特性研究。此外，还有些研究单位在从事基于 材料的高速阀、高压泵、微型泵的研究，并取得了阶段性成果。 3 、在微型马达中的应用f ”j 7 】 基于超磁致伸缩材料的驱动器可以提供2 0 2 0 0 9 m 的静态位移，因此被应用于 提供大扭矩的高分辨率的微型马达中。这种马达与传统的电磁马达或压电超声波马 达相比，具有体积小、输出力大、能量密度高和控制精度高等优点。德国柏林大学 k i e s g w e t t e r 利用超磁致伸缩材料研制成功一种新型步进马达，其工作原理见图1 - 5 所示。这种马达的定子采用非磁性材料制成管状，并与圆柱型的超磁致伸缩棒具有 相同的直径。当移动线圈中通入电流并且位置发生变化时( 见图1 - 5 b 1 5 e ) ，其超 磁致伸缩棒交替伸缩，象虫子一样蠕动前进。这种马达最大驱动力可达1 0 0 0 n ，分 辨率为2 哪，并具有驱动重载无反冲的优点。 美国v r a n i s h 等人采用超磁致伸缩材料，利用上述同样原理，开发了转动式步 进马达，其输出扭矩达1 2 2 n m ，速度最大极限为0 5 r m i n ，精度高达8 0 0 微弧度。 日本学者利用超磁致伸缩棒和压电陶瓷开发出一种功率大、响应快、无反冲的混合 型线性马达。 马志新基于超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究 7 画画昔暑凰翼 图1 - 5k i e s e w e t t e r 马达工作原理简图 4 、在超精密加工中的应用 1 8 - 2 0 1 目前，在超精密加工领域，刀具的驱动主要采用电致伸缩微位移驱动器。电致 伸缩微位移驱动器的位移量和输出功率相对较小，在机械结构中必须采取一定措施， 以防止冲击力和高压驱动造成的短路问题。由于超磁致伸缩材料具有应变大、能量 密度高以及驱动电压低的特点。因而基于g m m 的微位移驱动器可很好的解决上述 问题。 图l - 6 超磁致伸缩驱动器截面图 1 9 9 2 年，日本江田弘和t o s h i b a 公司t k o b a y a s h i 等人从事了将g m m 驱动器 用于超精密位置控制装置的开发研究，结构原理如图1 - 6 所示，将其作为微进给装 置装备在大型光学金刚石车床上，它使得在加工玻璃类硬脆材料时的尺寸精度和表 面粗糙度可控制在几个纳米以内。 美国e t r e m ap r o d u c t s 公司也利用超磁致伸缩材料研制出超精密车床的 微进给机构，并取得良好的控制效果。 浙江大学利用超磁致伸缩材料研制了活塞异型销孔迸给系统，解决了异型销孔 制造中的实际问题。同样国内还有许多高校和研究机构从事超磁致伸缩驱动器的研 扬州大学硕十学位论文 究，如大连理工大学于1 9 9 8 年研制了基于单片机控制的g m m 精密驱动系统，该 系统可实现直线双向运动，闭环控制精度达到0 2 1 x r n ，在预压力为0 m p a 时微位移 可达4 0 1 a m ：河北工业大学于2 0 0 2 年设计了超磁致伸缩驱动器，建立了该驱动器传 递函数模型，开发了基于t m s 3 2 0 c 3 1d s p 高速信号处理器p i d 数字控制系统，在 4 0 p a n 量程范围内可达到4 0 n m 的分辨率，具有稳定性好、抗干扰性能高的特点。 5 、在振动控制系统中的应用2 卜2 2 1 在科技飞速发展的今天，高精度光学平台的精确控制，宇航器、卫星及发射装 置的主动消振等振动控制问题显得十分突出，而驱动器是主动消振控制系统中的一 个重要组成部分，它直接影响控制系统的可实施性。 日本o h m a t e 采用t e r f e n o l - d 推出了3 连杆半主动消振控制装置，大大减缓了 由于地震、强风等产生的振动。这个装置象人的手臂一样，可在3 个直线或转动方 向产生可控的摩擦力和摩擦力矩。 美国的a n j a n a p p a 等将超磁致伸缩微驱动器应用于振动的主动控制中，并对其 工作原理进行了理论分析与实验研究，并首次给出了考虑热效应的超磁致伸缩驱动 器的基本数学模型。 南京航空航天大学也研制了用于振动的主动控制超磁致伸缩驱动器，并采用基 于l m s 算法的自适应滤波方法，对主动隔振和主动吸振两种控制模型进行了实验 研究。 此外，超磁致伸缩驱动器还被应用于扫描电子显微镜、望远镜、照相机自动聚 焦、医用超声波发生器和微型机器人等机电一体化产品。 1 3 本课题研究意义及主要研究内容 1 3 1 论文研究的目的和意义 超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料，它的出现必将导致相关工业技术不同 程度的变革和进步。我国作为一个稀土资源十分丰富的国家，进行具有广阔市场和 应用前景的稀土超磁致伸缩材料及其器件产品的开发研究，有着重要而深远的意义。 近二十多年来国内外对超磁致伸缩材料理论及应用研究的热度便是极大的证明。目 马志新基丁超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究9 前，国内关于超磁致伸缩材料的开发和应用研究虽然己经取得一定成果，但尚处于 起步阶段。与国外比较，我国无论在超磁致伸缩材料的基础理论研究，还是在工程 应用研究方面都还有很大的差距，尤其在超磁致伸缩器件产业化方面还有很长的路 要走。因此，开展超磁致伸缩器件及其相关理论和技术的研究，必将促进超磁致伸 缩材料在机械电子工程领域的应用，有助于推动集执行、传感检测和控制功能于一 体的智能型超精密位置控制器件、流体控制元件、机器人和换能器等技术的进一步 开发和应用。 本课题所研究的超磁致伸缩微位移驱动器，正是利用国产超磁致伸缩材料所具 有的磁致伸缩量大、能量密度高的特点而研制的新型驱动器，该驱动器具有尺寸小、 位移量大、精度和可靠性高、能量消耗低的特点。本课题将在驱动器基本结构设计 和制备的基础上，侧重驱动器相关控制技术的研究，研究开发驱动器控制系统的有 关硬件和软件，完成一个基于d s p 的微驱动器控制系统，最终实现对超磁致伸缩微 位移驱动器自动控制的目的。本课题属于应用研究课题，通过本课题的研究将为超 磁致伸缩材料的进一步开发应用积累经验，并为今后超磁致伸缩驱动器的实际工程 应用打下基础，以促进我国精密、超精密加工技术和微驱动技术的发展。 1 3 2 论文的主要研究内容 本课题主要以稀土超磁致伸缩材料为对象，从事超磁致伸缩微位移驱动器结构 设计和制备，进行驱动器驱动方法和控制模型的研究，进行控制系统软硬件的设计， 最终完成满足超磁致伸缩驱动控制要求的驱动器控制系统，实现对微位移驱动器自 动控制的目的。论文具体研究内容如下： i 、从工程应用角度出发，在对超磁致伸缩材料机理和工作特性分析基础上，从 事超磁致伸缩材料驱动形式、途径的研究，为超磁致伸缩材料微位移驱动器及其控 制系统的开发研究奠定理论基础。 2 、以数字信号处理器1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 和p c 微机为平台，进行微位移驱动 器控制系统方案设计，进行控制系统相关硬件选配和设计，进行控制系统相关软件 的开发，其中包括上位p c 机控制界面模块、p c 和d s p 的通信接口软件模块、以 及系统的控制软件模块等，最终研究完成满足超磁致伸缩材料控制要求的控制系统。 3 、为满足驱动器控制系统稳定控制要求，并针对t e f f e n 0 1 d 材料及其微位移驱 扬州大学硕士学位论文1 0 动器的工作特性，研究设计高精度、高稳定度的微位移驱动器的驱动电源。 4 、针对超磁致伸缩材料及其驱动器的非线性特性，进行超磁致伸缩微位移驱动 器控制系统调节方法研究，包括传统p i d 控制调节方法、改进型p 1 d 调节方法、以 及模糊自适应p i d 控制调节方法，并对各种不同调节方法进行实验比较，选择一种 较佳的驱动器控制调节方法，以满足驱动器控制的稳定性、鲁棒性等要求。 5 、对本论文所研制开发的超磁致伸缩驱动器控制系统进行仿真实验和实际控制 测试实验，分析测试实验数据结果，包括控制精度、灵敏度、动静态特性等性能指 标，分析控制精度误差源，分析控制系统存在的干扰源，提出可行的抗干扰措施。 1 4 本章小结 本章提出了本论文的研究背景，介绍了稀土超磁致伸缩材料的优良特性，阐述 了超磁致伸缩材料以及该材料的应用技术的发展和研究现状，分析了本课题的研究 目的、意义，明确了本论文的主要研究内容。 马志新基丁超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究 第二章超磁致伸缩材料特性及微驱动器结构的设计 为了满足本课题研究需要，首先需研制一个结构合理、功能齐全的超磁致伸缩 微位移驱动器。本章在详细分析超磁致伸缩材料伸缩现象、机理及其工作特性的基 础上，使用国产t e f f c n 0 1 d 材料研制完成一只超磁致伸缩微位移驱动器，并对其进 行了相关性能测试。 2 1 超磁致伸缩现象、机理及其工作特性 2 1 1 超磁致伸缩现象与机理 0 “ 铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都会发生微小的变 化，这种现象称为磁致伸缩现象1 2 3 。磁致伸缩现象有三种表现形式：( 1 ) 沿着外磁场 方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩：( 2 ) 垂直于外磁场方向尺寸大小的相 对变化，称为横向磁致伸缩；( 3 ) 材料体积大小的相对变化，称为体积磁致伸缩。纵 向或横向磁致伸缩又统一称为线性磁致伸缩，是1 8 4 2 年由焦耳( j p j o u l e ) 发现的， 所以又被称为焦耳效应。线性磁致伸缩系数z 可由下式表示： ， = 一 ， ( 2 - 1 ) 式中，为超磁致伸缩材料的长度，出为材料长度变化量，见示意图2 - 1 如果兄 o ， 表明随着磁场的增强，材料的长度变化是伸长的，称为j 下磁致伸缩；反之，当2 0 ， 表明随着磁场的增强，材料的长度变化是缩短的，称为负磁致伸缩。 珏_ + 图2 - 1 铁磁体的线磁致伸缩示意图 磁致伸缩是由于材料内部磁化状态的改变而引起的长度变化。反过来，如果铁 f 扬州人学硕十学位论文 1 2 磁材料受到机械力作用时，其内部将产生应变，从而产生应力，将导致磁导率等磁 化状态发生变化，这是磁致伸缩的逆效应，通常称为压磁效应。 磁致伸缩是相当复杂的现象，是满足自由能极小条件的必然结果，可以采用磁 畴唯象理论对其进行解释阱】。 稀土超磁致伸缩材料磁致伸缩现象产生的机理如图2 2 所示，超磁致伸缩材料 在居里温度以下发生自发磁化，铁磁介质中的电子自旋磁矩可以在小范围内“自发 地”排列起来，形成个个小的“自发磁化区”，这种自发磁化区叫做磁畴。在未磁 化的铁磁介质中，各磁畴内的自发磁化方向不同，因而从统计平均的观点来看，铁 磁材料的统计平均磁矩值为零，在宏观上不呈现极性，如图2 2 ( a ) 。当外磁场作用 到铁磁体时，开始阶段是使磁畴问的边界发生移动，亦即使取向与外磁场方向夹角 小的那些磁畴的体积增大，如图( b ) 所示。外磁场继续增强时，磁畴内的磁矩逐渐 旋转到外磁场方向，直至饱和，如图( c ) 所示。倘若外磁场再增加时，则磁畴内的 磁化强度几乎不再增加，此时已达到磁饱和状态。磁饱和时的磁致伸缩系数，记为 “五”。 n 十s ( a ) h = 0( b ) 0 h 2 h s ( h ：平均磁化磁场强度；h s ：外磁场强度) 图2 - 2 磁畴内磁矩随外磁场变化情况 2 1 2 超磁致伸缩材料特性 1 、超磁致伸缩材料的磁一机本构方程 对于超磁致伸缩材料，选择磁场强度h 、温度t 、应力盯作为独立变量，磁感 应强度b 、应变占作为因变量，可得相应的磁一机本构方程： s = s c r + d h + a t q 2 a ) b = d c r + l a h + p a t ( 2 2 b ) 马忠新 基t 超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究1 3 式中，s 是恒磁场、恒温下的弹性柔顺系数矩阵； d 是恒应力、恒温下磁致伸缩应变系数矩阵； o l 是恒磁场、恒应力下的热膨胀系数矩阵； p 是恒磁场、恒应力下的热转换系数矩阵： 且是恒应力、恒温下的磁导率系数矩阵； 下标t 表示矩阵的转秩。 若超磁致伸缩材料工作于恒温状态( 即丁= o ) 时，则式2 2 变为： 8 = s h c r + d , h( 2 3 a ) b=do+a4圩(2-3b) 式中，是恒磁场下的弹性柔顺系数矩阵；矿是恒应力下的磁导率系数矩阵；磁 致伸缩系数d 的定义为：( 嘉) ( 当盯= o 或常数) 或尝) ( 当h = o 或常数) 。 上式称为第一类压磁方程或磁致伸缩方程，其边界条件为机械自由( 盯- - 0 或常 数) 状态和磁场短路( 当h = 0 或常数) 状态。当超磁致伸缩材料作为位移驱动器驱动 材料时，可使用第一类压磁方程描述其各相关参数之间的关系。同样，如果改变边 界条件，便可以得到第二、三、四类压磁方程。关于第二、三、四类压磁方程的推 导，这里从略。 对中、小功率超磁致伸缩位移驱动器而言，一般采用其轴向磁致伸缩方程，若 忽略各类能量损失且在绝热等情形下，式( 2 3 ) 矢量式就变成标量形式： 岛= 镂吒+ 以3 h 3 ( 2 4 a ) 马= 呜3 q + 塌峨 ( 2 - 4 b ) 式中。：超磁致伸缩棒的轴向应变： 尼：超磁致伸缩棒的轴向平均磁场强度； 及：超磁致伸缩棒的磁感应强度； 仉：超磁致伸缩棒轴向应力： 如：轴向动态磁致伸缩系数以，= 嚣 ，：删； ：磁场恒定时的轴向柔度系数，有碟= 1 碟，碟为轴向弹性模量； 艏：一定压应力时的磁导率。 2 、超磁致伸缩材料的基本工作特性 扬州大学硕十学位论文1 4 超磁致伸缩材料t e r f e n o l d 有如下的基本特性： 1 ) 磁导率低，易产生漏磁，因而一般在闭合磁路条件下使用。 2 ) 电阻小，易产生涡流损耗，故高频特性较差，一般在低频工况下使用。 3 ) 性脆，抗拉强度低，使用时通常要施加预压力。 4 ) 在j 下负磁场的作用下，超磁致伸缩材料均具有伸长变形特性，其变形量与磁 场的关系为非线性。 图2 - 3 所示为超磁致伸缩材料在不同预压力下的磁致伸缩的关系。显然，对该 材料施加预压力要比没有预压力时的伸缩变形大，这使得超磁致伸缩材料在低磁场 下就能获得很高的磁致伸缩应变值，提高了该材料应变的灵敏度，这一现象称为超 磁致伸缩材料的压应力特性。 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 毛 8 0 0 4 0 0 o n 旧d h 口f c i 8 h 伊a 。、 厍4 ：o：、-i-；篓 - 1 2 0 8 0 - 4 0o加8 01 2 0 磁场强度州k a m 1 倒2 - 3 磁致伸缩压席力特性示意剀 本论文采用由台州市椒光稀土材料有限公司提供的t e r f e n 0 1 d 棒，其驱动磁场 与应变关系如图2 - 4 所示。由图示可知，超磁致伸缩材料的驱动磁场大致在0 1 8 0 k a m 范围内，其变形量与磁场的关系为非线性，当磁场大于约1 8 0k a m 时， 材料趋于饱和状态。 从图2 - 4 还可看出，t e r f e n o l d 超磁致伸缩材料在正负磁场的作用下都呈伸长变 形状态，其产生机械运动频率是外加交变电流频率( 磁场频率) 的两倍，这就是所 谓超磁致伸缩材料特有的“倍频现象”，如图2 - 5 所示。因而，为了获得所需的驱动 器运动变形特性，在进行驱动器设计时必须采取适当的措施以消除该倍频现象。如 图2 - 6 所示，通过给该材料添加一偏置磁场，便可将磁致伸缩变形移动到所需的线 性区域内并消除“倍频现象”。 马志新基丁超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究1 5 1 2 0 0 量 ” 厂 勋 劝 赫 、 堋一埘一1 0 0 0的1 0 0埘 2 0 0 磁瞒强度( 耻脚 图2 4t e 峨n o l d 材料场强与麻变关系图 l ，l 。 ： ) l t 一八 止：二乜 ， “ 图2 - 5g m m 的“倍频”现象 图2 6 用偏置磁场消除倍频现象 除此以外，超磁致伸缩材料还有其它一些优良的特性，如较高的磁机耦合特性， 能够高效的将磁能转换成机械能；有较大的承受负载能力；较低的热膨胀系数；在 静态和动态负载下有良好的稳定性；适合于低电压驱动操作等。 2 2 基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器结构设计 2 2 1 驱动器总体结构设计和工作原理 根据超磁致伸缩材料t e r f e n 0 1 d 的工作特性，以及考虑到温度对材料性能的影 响，本文进行了超磁致伸缩驱动器的结构设计，其总体结构如图2 7 所示，图2 8 为反映驱动器具体结构的三维爆炸图。从图示可见，所设计的超磁致伸缩微位移驱 动器主要由磁路结构、驱动线圈( 含激励和偏置线圈) 、预压机构和冷却机构四个部 分组成。 扬州大学硕士学位论文 1 6 l 底座2 垫片3 进水口4 引伸轴5 超磁致伸缩棒 6 激励线圈和偏置线圈7 外壳8 出水口9 端盖l o 预压螺母 1 1 输出顶杆1 2 预压碟簧1 3 套筒1 4 线圈骨架1 5 密封圈图 图2 - 7 超磁致伸缩微位移驱动器的结构示意图 图2 - 8 超磁致伸缩微位移驱动器的三维爆炸图 其中磁路结构由超磁致伸缩棒( 5 ) 、输出项杆( 1 1 ) 、外壳( 7 ) 、底座( 1 ) 和引伸轴 ( 4 ) 组成，除超磁致伸缩棒之外，它们均由导磁材料制成，构成了一个闭合磁路。驱 马志新基丁- 超磁致伸缩材料微驱动控制系统的研究 动器其它零件采用非磁性材料铝制成，从而有效地降低了漏磁，且在实际使用中能 防止与外部仪器所构成的相互间电磁干扰；驱动线圈包含激励线圈和偏置线圈( 6 ) ， 它们分别由线径1 3 8 r a m 和i 4 8 m m 的漆包线在线圈骨架( 1 4 ) 上绕制而成，通过激 励电流和偏置电流产生激励磁场和偏置磁场：预压机构由预压螺母( 1 0 ) 、预压碟簧 ( 1 2 ) 和输出顶杆( 1 1 ) 组成，通过调节有标度的预压螺母，可以在一定范围内定量的 调节预压力大小；冷却机构由带有螺旋沟槽的套筒( 1 3 ) 、线圈骨架( 1 4 ) 所带有的进 水口( 3 ) 和出水口( 8 ) 构成一个循环的冷却水回路，从而通过冷却水的循环带走驱动 器工作时所产生的热量，减小温度变化对驱动器工作的影响。 此外，为了对超磁致伸缩材料在驱动磁场作用下的应变进行实时监测，在 t e r f e n o l - d 棒上贴有接成半桥形式的电阻应变片，并有引线引出，以作为检测仪器 的输入。 所设计驱动器各组成部件的材料如表2 - l 所示。 表2 - 1 超磁致伸缩驱动器主要部件的材质 部件名称：磁致伸缩棒底座外壳输出顶杆线圈骨架 材料： r e r f e n 0 1 d4 54 54 5铝 部件名称： 套筒端靠轴预压螺母 材料：铝4 5 4 5铜 嚣 本课题所研制的超磁致伸缩微位移驱动器工作原理可简述为：当给激励线圈通 有电流时，由电磁感应原理将产生驱动磁场，从而驱动超磁致伸缩t e r f e n o l - d 棒的 伸长或缩短，通过输出顶杆，对外将产生输出位移。此外，通过给偏置线圈施加适 当的电流，产生所需的偏置磁场，以消除“倍频现象”；通过预压