（机械制造及其自动化专业论文）基于超磁致伸缩驱动器的主动隔振系统研究.pdf

摘要 本论文对超磁致伸缩驱动器( g m a ) 在主动隔振系统中的应用进行了系统的 理论分析和实验研究，旨在采用超磁致伸缩驱动器作为主动隔振系统中的执行机 构抑制隔振平台的振动，以提高隔振平台的隔振精度。 绪论从主动隔振技术及其工程背景和超磁致伸缩驱动器的应用研究概况着 手，对它们的背景、应用和发展等作了较为详细的论述，着重介绍主动隔振技术 及控制规律和智能材料在其中的应用，对超磁致伸缩驱动器的发展概况、优点及 其应用现状也作了较为详细的叙述。 第二章介绍精密隔振平台的设计及设计原理，详细论述超磁致伸缩驱动器的 设计，包括：磁致伸缩现象、t e r f c n o l - - d 的基本特性、空心交流电磁路的设计、 偏置磁场以及预压弹簧的设计。 第三章建立主动隔振系统的模型，首先对隔振平台进行理论建模；其次，从 本构方程导出超磁致伸缩驱动器的数学模型，并考虑温度对t c r f c n o l - - d 棒应变 的影响；最后从宏观角度介绍整个测控系统，分别详细说明系统的硬件构成和软 件构成，重点介绍驱动器的功率放大电路设计和主动隔振测控软件的模块化设 计。 第四章为主动隔振试验与仿真研究，首先介绍了p i d 控制算法在主动隔振 中的应用；在主动隔振试验中利用p i d 建模技术对所建识别模型进行离线识别， 然后考察不同外扰频率下的隔振效果；再次对外扰力为单频、双频、噪声信号的 情况下对系统进行数值仿真。 第五章对超磁致伸缩驱动器的特性进行测试，通过试验数据研究了驱动器的 静态特性、频响特性、滞回特性与磁滞模型以及动态阶跃响应。 最后，概况本论文的主要工作、得出相关结论并对本课题下一步的发展提出 了自己的意见。 关键字：主动隔振；超磁致伸缩驱动器；隔振平台；测控系统；p i d 控制 t h e t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho fa c t i v ei s o l a t i o ns y s t e mb a s e do n 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 r ( g m a ) a r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n n em a i n p u r p o s e o ft h er e s e a r c hi st oi m p r o v et h ev i b r a t i o nc o n t r o l l i n gp r e c i s i o no fv i b r a t i o n i s o l a t i o n p l a t f o r mb ym e a n s o 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 ra st h ea c t i v ev i b r a t i o n c o n t r o le l e m e n t i nt h e p r e f a c ew eb e g i nw i t ht h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do fa c t i v ei s o l a t i o n t e c h n o l o g y a n dg m a , o fw h i c ht h er e s e a r c h 、u s ea n d d e v e l o p m e n t a r es t a t e di nd e t a i l ， e s p e c i a l l yt h ec o n t r o lr u l ea n da im a t e r i a lu s e di na c t i v ei s o l a t i o ns y s t e m ，p r a c t i c a l u s ea n d a d v a n t a g e o ft h e m i nc h a p t e r2d e s i g na n dp r i n c i p l eo ft h ep r e c i s i o na c t i v ei s o l a t i o np l a t f o r ma r e d i s c u s s e d d e s i g no fg m a i sd i s c u s s e di nd e t a ua n di tc o n s i s t so fm a g n e t o s t r i c t i v e p h e n o m e n o n ，b a s i c c h a r a c t e r i s t i c so ft e r f e n o l - d ，d e s i g no fh o l l o wa ce l e c t r o m a g n e t i s mc i r c u i t ，d e s i g no f t h eb i a sm a g n e t i ch e l da n d p r e c o m p r e s s i o ns p r i n g i nc h a p t e r3m o d e lo fa c t i v ei s o l a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e d f i r s t l y , t h e o r e t i c a l m o d e lo ft h ei s o l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d s e c o n d l y , m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e g m ai si n f e r r e df r o mc o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n dt h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c et ot h es t r a i n o ft e r f e n o l - di sc o n s i d e r e d a tl a s tt h ew h o l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi s i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es o f t w a r ee l e m e n ta n dt h eh a r d w a r ee l e m e n ta r e d i s c u s s e di nd e t a i l e s p e c i a l l y s p e c i a le m p h a s i si sp u to nt h ed e s i g no ft h ep o w e r a m p l i f i e ra n d m o d u l a r i z a t i o nd e s i g no ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e c h a p t e r4m a i n l yi n c l u d ea c t i v e i s o l a t i o ne x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h t h eu s eo fp i dc o n t r o la l g o r i t h mi na c t i v ei s o l a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e df i r s t l y w e i d e n t i f yt h ec o n s t r u c t e dm o d e l o f f l i n eb ym e a n so fp i dm o d e l i n gt e c h n o l o g yi nt h e a c t i v ei s o l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h e nt h ei s o l a t i o nr e s u l t l e a d i n gf r o md i f f e r e n td i s t u r b f r e q u e n c y i sr e v i e w e d s e c o n d l y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e k d i s t u r bs i g n a lo f s i n g l ef r e q u e n c bd o u b l ef r e q u e n c y a n dn o i s e 1 f l l cc h a r a c t e r i s t i c so fg m ai n c l u d es t a t i c ，f r e q u e n c yr e s p o n s e ，h y s t e r e s i sa n d h y s t e r e s i sm o d e ld y n a m i cs t e pr e s p o n s e i st e s t e di nc h a p t e r5 a tl a s tm a i na c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r k , w h i c hw i l lb ed o r ei nt h en e a rf u t u r ei sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：a c t i v ei s o l a t i o n , 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 r ( o m a ) ，i s o l a t i o n p l a t f o r m ，m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m ，p i dc o n t r 0 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在科学技术飞速发展的今天，精密仪器与仪表、超精密机床的低频振动控 制、高精密光学平台的精确控制，大型空间柔性结构、宇航器、卫星及发射装置 的主动隔振等一系列振动控制问题显得十分突出，给振动控制的研究提出了新的 课题。 1 1 主动隔振的工程背景 主动隔振技术作为振动控制技术的一个重要分支，是发展最早也是最为成熟 的一个领域，特别是在美国，主动隔振技术取得了长足的进步。目前国内外一般 较为成熟的隔振技术为被动隔振，但它对于隔离低频和超低频振动效果不理想， 在复合激励环境下难以达到高精度的隔振要求。主动隔振采取对振动系统实行闭 环校正，在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，因而引起了人们的重视。自 五十年代( 早在1 9 5 5 年美国科学家就提出了有关有源隔振技术的研究报告。 a b u - a k e e l ( 1 9 6 7 年) 和s c h u b e r t ( 1 9 6 9 年) 先后开始了对电动吸振器和电液隔 振系统的研究。b r o d e rs e n ( 1 9 7 4 年) 开始把各种传感器和补偿控制回路应用于 隔振系统的控制。) 以来，许多发达国家致力于高精度隔振平台系统的研究，尤 其是为满足惯性仪表校准技术的要求而开发的一系列气动和液动伺服隔振系统， 如美国空军于1 9 7 6 年开始研究的用于惯性仪表的精密隔振平台，采用气动与电磁 支承并用，并采用主动隔振技术，平台固有频率l t t z ，转动角速度允许值为 0 0 0 l r a d m i n ，以转动半径0 1 m 计算，在平台固有频率处的加速度允许值为3 1 0 。9 9 。我国在该领域的研究尚处于起步阶段，现有的隔振技术和相应的防震指标 已不能满足精密隔振的要求。因此本课题的研究为提高在主动隔振领域的控制要 求提供相应的理论依据。1 9 8 6 年美国推出的主动隔振系统e v i s 作为商品得到推广 使用。a v o n ( 1 9 9 3 年) 设计的隔振器可实现6 个自由度的主动隔振。b e a r d ，s c h u e t r 和v o nl o t o w ( 1 9 9 4 年) 设计出刚性支撑的主动隔振器。以s c h u b e r t 等人( 1 9 9 7 年) 把压电元件应用于主动隔振器为开端，各种智能材料开始涌入主动隔振领域， 在很大程度上促进了主动隔振技术的发展1 1 1 2 0 0 2 年，a a b uh a n i e h ，m h o r o d i n c a a p r e u m o n t 也设计出了6 自由度隔振平台”1 ，如图1 一l 所示。图1 一l 为s t e w a r t 平台的一个应用，( a ) 为s t e w a r t 平台外观图，( h ) 是去掉隔振平 台后的图，隔振平台和底座是由六个某种立体组合结构的压电陶瓷驱动器组成， 图( c ) 为其测试结构，1 5 0 c m 高的钢架产生柔性有效载荷。测试结果表明在低频 ( 4 5 h z ) 情况下可以达到相当高的阻尼比，4 0 9 0 t t z 时结果也非常令人满意。 浙江大学硕士学位论文 1 2 主动隔振技术概述 如图l 一2 所示主动隔振的工作原理是：弹簧和阻尼器既起支撑作用又可以隔 离较高频率的振动，利用控制器将传感器测得的信号转变为控制信号由驱动器作 用到控制对象上，作为抑制振动的反作用力，从而达到控制的目的。控制器中控 制技术与控制算法的不同应用和驱动器的优劣，在很大程度上决定了在不同的环 境条件以及要求精度下所达到的对控制对象的控制效果“1 。下面就主动隔振的主 要构成部分控制器和驱动器分别描述。 图1 1 刚性s t e w a r t 平台的应用 图l 一2 主动隔振原理图 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 控制器的发展动态 1 2 1 1 前馈控制器和反馈控制器 控制器是主动隔振系统中的核心环节，可分为前馈控制器和反馈控制器。前 馈控制器适用于对特定扰动采取补偿措施的情况，具有响应快速的特点，美国 t m c 公司生产的气动主动隔振器p e p s v x t m ( p r e c i s i o ne l e c t r o n i cp o s i t j o n i n g s y s t e m ) ，采用全前馈输入，使系统可预测负载运动，缩短定位时间，最大限度 地消除隔振平台振动；而反馈控制器则适用于在扰动因素较多且不可检测的情 况，它能够自行减少或消除扰动对输出的影响，特别适合对复杂系统和系统参数 不确定系统的控制，如隔振平台、柔性结构等。“1 i 2 1 2 控制器中的控制律 控制器用以实现所需的控制律。主动隔振主要应用主动闭环控制，其基本思 想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结 构的闭环零、极点配置或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。控制 器控制规律的设计几乎涉及到控制理论的所有分支，如极点配置、最优控制、自 适应控制、鲁棒控制、智能控制以及遗传算法等。 独立模态空间法 独立模态空间法的基本思想是利用模态坐标变换把对整个结构的振动控制 转化为对各阶主模态控制，目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。这种方法 直观简便，充分利用模态分析技术的特点，但先决条件是被控系统完全可控和可 观，且必须预先知道应该控制的特定模态。 极点配置法 极点配置法也称特征结构配置，包括特征值配置和特征向量配置两部分。系 统的特征值决定系统的动态特性，特征向量影响系统的稳定性。根据对被控系统 动态品质的要求，确定系统的特征值与特征向量的分布，通过反馈或输出反馈来 改变极点位置，从而实现规定要求。文献【5 】在常规极点配置法的基础上，提 出了同时优化系统极点、传感器和驱动器位置的联合优化设计方法。 最优控制 最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解 结构振动最优控制输入的一种设计方法。由于最优控制规律是建立在系统理想数 学模型基础之上的，而实际结构控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件， 因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控结构时，大都只能实现次 最优控制。文献【6 】将极点区配置与最优控制方法相结合，提出了一种低阶控 制器的设计方法。 自适应控制 自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分 3 浙江大学硕士学位论文 为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三类。自适应前馈控制通 常假定干扰源可测；自校正控制是一种将受控结构参数在线辩识与受控器参数整 定相结合的控制方式；而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构， 使受控结构的输出跟踪参考模型的输出。c r f u l l e r 运用l i d s 自适应算法实现 宽带结构的主动隔振，在对飞机臂板的振动控制实验中获得了1 2 d b 的降噪效果 【7 l 鲁棒控制 虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但自适应控制本身并不具各 强的鲁棒性。鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具 有一定的抗干扰能力。顾仲权等人提出了基于容限性能指标的控制设计准则，研 究了一种直接满足控制性能要求的结构振动鲁棒控制的常增益反馈优化设计方 法。滑模变结构控制近年来在结构振动鲁棒控制中得到了成功的应用。其实质是 一种模型参考自适应控制。“参考模型”是一条预先设计好的流形，用开关控制 法迫使系统沿着这条轨迹滑动。由于开关切换频率高，易引起系统颤振。周军等 人将变结构控制与模型参考自适应控制相结合，建立了具有极强鲁棒性的变结构 模型参考自适应耦合主动隔振系统18 1 。h 。控制是设计控制器在保证闭环系统各 回路稳定的条件下使相对于噪声干扰的输出取极小的一种优化控制法。它将鲁棒 性直接反映在控制性能指标上，设计出的控制律具有其他方法无可比拟的稳定鲁 棒性。顾家柳等人用鲁棒h 。控制理论研究了实现转子系统振动鲁棒控制的最优 对策n 1 ，给出了转子系统鲁棒h ”控制器的设计方法，并且进一步研究了控制中 的时滞问题“”。 智能控制 智能控制理论的产生与发展为主动隔振控制器的设计带来了新的活力。模糊 控制作为智能控制的一个重要分支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将人 类的主观经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题 提供了有力的手段。神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结 构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络以 对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线 性具有很强的逼近能力。文献【1 1 】把模糊控制和神经网络结合起来研究车辆悬 架半主动隔振系统，用模糊系统表示规则和知识，进行1 4 车辆模型的半主动悬 架系统振动分析，以车身垂直振动加速度和其变化率组合的评价函数最小为目 标，优化层间权重的学习算法决策控制量。经计算机模拟，显示了结果的有效性。 1 2 1 3 控制器的发展方向 控制器今后的发展方向：( a ) 借鉴控制领域的研究成果，文献【1 2 】详细阐 述了各种控制理论对隔振系统的影响。由于受控对象的复杂性与不确定性，鲁棒 4 浙江大学硕士学位论文 控制设计在主动隔振技术中得到了广泛的应用，例如运用鲁棒控制方法控制柔性 桥塔结构等“”；同时，将几种控制算法结合起来，扬长避短，也是今后控制器 设计的方向，例如在文献【1 4 】中把模糊逻辑与神经网络算法结合起来用于振动 控制。另外，寻求控制效果更好的控制律，一直是控制界的热点问题，例如瞬时 最优控制方法由于比经典的最优控制更能达到真正意义上的实时最优，因而开始 在控制领域得到广泛的应用。“5 1 ( b ) 根据各类振动的特点，发展有别于传统控 制理论的新方法，如气动能量法、独立模态空间控制法“”、最优边界阻尼法n 等。( c ) 由于受控对象与控制器之间相互联系，因此同时对这两个系统进行优化 设计，也是今后控制器的发展方向“”。 1 2 2 智能驱动器 驱动器的选择在很大程度上决定了整个隔振系统的性能。近年来，利用智能 材料作为驱动器制成的隔振平台，在精密加工、精密测量中得到了广泛的应用。 如美国t m c 公司生产的压电式主动隔振平台，可实现6 个自由度的隔振，其最大 隔振振幅为2 4um ，承载范围1 8 2 2 0 4 5 k g ，隔振频率范围为0 3 2 5 0h z ，在 2 h z 以上的频率时隔振效果大于9 0 “”。 智能型驱动器主要包括由压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记 忆合金、电流变流体等制成的驱动器，主要用作高精度隔振平台。传统驱动器如 液体驱动、气体驱动以及电气驱动，由于体积、重量大，多用于地面及固定系统 的主动隔振。 目前智能驱动器发展方向有以下几个方面： a 研制性能更为优越的智能驱动器。例如形状记忆高分子s m p ，与形状记忆 合金s m a 相比，不仅具有变形量大、易加工、形状响应温度便于调整、保温、绝 缘性能好等优点，而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉，因而得到广泛的应 用。“”美国l o r d 公司己研制出能耗2 2 w 、最大阻尼可达2 0 0 k n 的磁流变耗能器。 “西安交通大学建筑工程与力学学院研制的智能型磁流变隔振器，是运用磁流 变液的特性制作的可控阻尼隔振器。磁流变液是种机敏材料，在外加磁场作用 下，其物态性能可在液固之间转换。该产品当外加电流在o l a 时，其最大准静 态拉力为0 1 8 2 o k n ，可替代现有各类油式阻尼器及相关隔振器产品。上海硅 酸盐研究所采用陶瓷坯膜流延成型和陶瓷坯膜一金属内电极共烧技术，制作了多 层片式高含铅p z t 的软性压电陶瓷微驱动器，具有体积小、工作电压低、位移量 大( 3 8 v ，1 10 5 p m ) 的特点。“ b 最优配置驱动元件或传感元件。由于驱动元件或传感元件在结构的安放位 置配置对系统外观、可控性有很大的影响，文献【2 3 】提出的改进模拟退火算法， 能有效地解决全局最优配置问题。目前，该领域大量的研究主要集中在两个基本 方面：( a ) 寻求合理的、能反映设计要求的优化准则；( b ) 研究适合于所求解优 5 浙江大学硕士学位论文 化问题的有效的计算方法。“ c 将传统驱动器与智能驱动器组合在一起，共同对受控对象进行控制。在文 献【2 5 】中，y o s h i k ah ，t a k a h a s h iy 对一主动隔振平台采用压电驱动器与气 动驱动器相结合的方法，进行微幅控制，当周围地面的振动加速度为0 5 c m s 2 以及8 c m s 2 的地面冲击时隔振效果可以达到9 9 ，并在整个频率范围内隔振效果 都比较显著。 d 将各种智能材料复合在一起，以获得最佳性能组合。如压电陶瓷易脆裂， 而压电高分子材料韧性极好，但压电常数小，则可在高分子压电材料中混人高极 化强度的压电陶瓷粉末。纽约州立大学石溪分校等已研制了形状记忆合金薄膜 ( n i t i ) 和压电陶瓷薄膜的复合结构材料，它具有两种材料的优点。“ e 将智能传感元件、智能驱动元件和微型计算机控制芯片集于一体，形成智 能结构。如依利诺斯大学建筑研究中心正研制一种可自行愈合的混凝土。研究中 把大量的空心纤维埋人混凝土中，当混凝土开裂时，装有裂纹修补剂的空心纤维 也断裂，释放出修补剂，将裂纹牢牢粘住。北卡罗来纳大学正在研究注入电流变 流体的智能板梁结构。“ 1 2 3 简短评述 综观国内外有关主动隔振的文献”7 “删及研究成果，结合近年来作者的研究 体会，作以下简短评述：( i ) 航空航天以及土木工程领域的主动隔振仍将是今后 研究的重点和热点。( 2 ) 由于精密、超精密工程的飞速发展，微米级以下的主动 隔振技术将是今后研究的又一个主要方向和热点。( 3 ) 低频、超低频振动控制将 是主动隔振的难点和热点，传统的主动隔振理论是否完全适用? 主动隔振是否需 要有不同的、全新的理论作指导? 有待于进一步研究。( 4 ) 传感器和驱动器是实 现主动隔振的关键部件，低频振动控制和超精密振动控制的发展急需高精度、高 灵敏度的传感器和驱动器，因此，开发高精度、智能化传感器和驱动器甚至集成 化传感驱动部件已成必然趋势。( 5 ) 在微动控制中因为测量信号十分微弱，信号 于扰变得十分突出，研究有效的信号处理技术变得非常重要。 1 3 磁致伸缩驱动器的研究及应用状况 工程上常用的隔振方法可以分为主动隔振和被动隔振。被动隔振有着容易 实施、成本低、结构简单等优点，但是它存在的不足之处也是十分突出的：一是 减振量不足，频带窄，低频特性差；二是缺少控制上的灵活性，对外界环境变化 的适应能力差。主动隔振基本上能够克服被动隔振的不足，比较好的满足减振性 能的要求，但是主动隔振中面临的问题是如何选用合适的主动隔振驱动器。驱动 器是主动隔振系统中的一个重要的环节，直接影响主动隔振的可实施性。常用的 6 浙江大学硕士学位论文 驱动器有伺服液压式、伺服气动式、电磁式、电动式等。液压式和气压式驱动器 的低频特性好，输出位移和承载力都较大，但是机构复杂，需要液压源和气压源： 电磁式和电动式驱动器的工作频率宽，电源供给方便，但是承载小、体积较大； 由于这些驱动器存在这样或那样的不足，因而应用范围受到很大的限制。基于上 面的原因，人们努力寻求一种新的驱动器，希望它能以最优的几何机构来弥补上 面的不足。智能材料的出现，使得弥补上面的不足成为可能，常见的几种智能材 料为压电陶瓷( p z t ) ，形状记忆合金( s m a ) 和磁致伸缩材料。长期以来，作为 磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不 高，故应用面较窄，主要用于声纳、超声波发射等方面。所谓“超磁致伸缩材料” 则指国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土一铁系金属间化合 物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致 伸缩材料商约1 0 2 1 0 3 倍( 如t e r f e n o l - - d ) ，因此被称为大或超磁致伸缩材料 ( g i a n tm a g n e t o s t r i e t i v em a t e r i a l ，简写为g 姒，刹用他做成的驱动器就叫 做超磁致伸缩驱动器州3 1 ”，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 r ，简 写为g 姒) 。他们的性能比较见表l 一1 。 表l l几种材料性能的比较 名称 压电陶瓷形状记忆合金超磁致伸缩材料 指标 最大应变4 0 0 p p m1 0 0 0 0 p p m2 0 0 0 p p m 力 小大大 响应速度快慢快 频率范围高频低频低频 由t e r f e n o l d 制成的主动隔振执行机构( 超磁致伸缩驱动器) 有着其他类 型驱动器无法比拟的优点：最大消振力可达到数百公斤，最大可达7 0 的振动衰 减量，频率范围为o 5 k h z ，特别是低频特性好。这种材料驱动器的开发和应用 为主动隔振研究领域开辟了广阔美好的前景。因此，研究这类驱动器的特性以及 其在主动隔振领域中的应用，是一项有着重要理论意义与应用前景的高新课题。 压电陶瓷( p z t ) ，形状记忆合金( s m a ) 驱动器在主动隔振领域的研究已经 比较多。t e r f e n o l d 这种磁致伸缩材料的发现，立即引起人们的广泛关注。 t e r f e n o l - - o 属于磁致伸缩材料的一种，它在交变磁场的作用下会发生伸长变形， 这种现象称为磁致伸缩现象。用t e r f e n o l d 研制成的驱动器和p z t 驱动器以及 s m a 驱动器相比具有如下优点： ( 1 ) 有较大的应变，最大值可达2 0 0 0 p p m ( p z t 的应变为8 0 4 0 0 p p m ) ： ( 2 ) 实时性好，l o c m 长的t e r f e n o l d 棒在6 0 us 内可伸长0 1 m m ，可实 施实时跟踪控制； ( 3 ) 能量密度高，要求电压低： ， 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 承载能力强： 超磁致伸缩驱动器“”“们“5 3 6 3 7 1 用于主动隔振研究始于8 0 年代末，国外研 究不多，国内还处于刚刚起步阶段。h i l lm w 等“”用实验方法研究了用t e r f e n 0 1 一d 作为主动隔振器时，在2 0 h z 以下的频率范围内，采用比例控制，振动幅值 约减小5 0 ，作者还认为，随着驱动器设计改进和控制方法的发展，减振效果会 更好；h n j a n a p p am 等3 “设计了一种微型磁致伸缩驱动器( m m a ) ，对它进行 了理论和实验研究，并首次考虑了线圈发热导致工作温度升高对驱动器应变的影 响，然后将微型驱动器嵌入一悬臂梁内，对梁的弯曲振动进行控制，得到满意的 效果。g e n gz 等“开发出了6 自由度主动式减振装置( 又称为s t e w a r t 平台， 见图1 - - 3 ) ，为了解决运动的耦合问题，驱动器的布置采用了如果1 4 所示的 立方体布置方式，十分巧妙的解决了运动耦合问题。m i c h e a dd 等“”用神经网 络控制方法，以三个t e r f e n o l d 驱动器来控制隔振对象的振动。 文【4 3 采用阻抗的概念研究了磁致伸缩驱动器的动态传递特性。另外，美 国的e t r e k ap r o d u c t s 公司是专门研制磁致伸缩驱动器的公司，他们研制的驱动 器已经系列化，商品化。 在我国，中科院上海冶金研究所率先研制出了不同规格的磁致伸缩棒，但至 今除了浙江大学、哈工大、南京航空航天大学等几所高校在从事这方面的研究工 作以外尚无在企业成功应用的先例。 图l 一3 基于6 自由度隔振系统的s t e w a r t 平台 图1 4s t e w a r t 平台的立方体形 8 浙江大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究工作 本研究课题由浙江省自然科学基金资助，项目名称是精密设备主动隔振基础 理论研究。该项目的研究目标是研究精密设备系统的主动隔振理论问题和控制方 法，包括建立复合激励环境理论模型、隔振系统非线性动力学模型及主动隔振平 台系统控制理论，研究成果将为用于精密仪表、精密测量设备和精密加工设备的 高精度隔振平台系统提供理论依据。本论文在了解t e r f e n o l d 棒基本特性的基 础上，研制了一用于试验的超磁致伸缩驱动器，对此驱动器进行了试验研究，并 应用于主动隔振系统中，主要工作有： ( 1 ) 设计与研制超磁致伸缩驱动器，并建立它的数学模型。 ( 2 ) 研究超磁致伸缩驱动器的动态特性。 ( 3 ) 以超磁致伸缩驱动器作为主动隔振系统的执行机构，用有延时和无延 时p i d 控制算法实施主动隔振。研究包括数值仿真与试验两方面。 ( 4 ) 建立了完整的基于p c 的通用计算机测控系统，制作了与实验的相关硬 件电路等，并基于w i n d o w s 平台开发了主动隔振测控软件。 1 5 本章小结 本章对主动隔振技术及其工程背景和超磁致伸缩驱动器的应用研究概况着 手，对它们的研究、应用和发展趋势等作了较为详细的论述，着重介绍主动隔振 理论的研究进展和实际应用举例、超磁致伸缩驱动器的特点和应用现状。最后提 出本论文的主要研究工作。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章基于超磁致伸缩驱动器的精密主动隔振平台 设计 2 1 隔振平台的设计 主动隔振系统的工作原理如图2 一l ，隔振平台受到震源的激励产生振动， 拾振传感器与二次仪表组成测量电路感受振动并将振动转换成电信号，a d 转换 器作用是把电信号由模拟量转换成数字量，数字量在计算机内通过控制算法输出 控制信号，d a 转换器把控制信号由数字量转换成模拟量，因为这时的信号比较 微弱不足以去驱动超磁致伸缩驱动器，所以还必须经过一个功放电路。经过放大 的控制信号输入超磁致伸缩驱动器内使驱动器产生动作，抵消了隔振平台的振 动，从而达到隔振的目的。 图2 - - 1 主动隔振系统工作原理示意图 结合图2 3 对本精密主动隔振平台哺甜的工作原理及各部分的功用做详细 描述，拧紧螺母1 、弹簧挡圈2 、弹簧3 、橡胶垫片7 可以调节平台1 5 的初始位 置，并且起到缓冲保护装置的作用。紧定螺钉1 3 可以调节驱动器的初始驱动力。 为保证隔振平台始终处于垂直方向，所以在每个设计环节都必须尽可能的做到安 装后的紧密性，导向立柱8 与底板1 1 的装配以及导向立柱与隔振平台1 5 的装配 都要尽可能的做到紧密配合；考虑到隔振平台1 5 要与导向立柱8 之间有相对的 运动，而又要保证良好的紧密性，所以采用直线轴承5 使导轨与平台板1 5 连接， 使导向立柱8 在起到对平台板1 5 垂直导向作用的同时，又尽量减小与隔振平台 1 5 之间的摩擦，直线轴承5 使得平台1 5 沿着导向直柱有大的位移，可以承受较 大的振动。实际应用时平台1 5 上面固定需要隔振的系统，因此平台1 5 可以作出 1 0 浙江大学硕士学位论文 特定的结构以固定需要减振的系统。拾振传感器1 2 感受平台1 5 的振动并且转换 成电信号，电信号经过处理放大输入到超磁致伸缩驱动器9 。另外考虑到隔振平 台板重力分布的均匀性，平台采用半径为3 0 0 r a m 的圆形，厚度为l o m m ，在本 实验中采用三个导轨均布的形式，如图2 - - 2 所示。 从后面的试验以及仿真效果表明本 主动隔振装置与以往的隔振装置”4 1 相比有如下优点： 1 、对隔离低频和超低频振动效 果明显，且隔振的频带较宽； 2 1 在复合激励下能够达到高精 度的隔振要求； 3 1 适用于隔振系统中存在不确 定性问题，尤其是系统输入及系统模 f一 心。j 旷 型具有不确定性； 。，。 图2 - - 2 导向直柱分布图 4 1 本主动隔振平台所用的超磁 。 致伸缩驱动器具有变形量大，响应快( 可达到1 3 0 0 0 赫兹) ，低频特性好等优 点。采用超磁致伸缩驱动器的主动隔振装置的振动量级可达到l o n g ； 5 、可适用于复杂的环境，超磁致伸缩材料的最高适应温度为4 0 0 c 。 l5 1 拧紧螺母2 弹簧挡环3 弹簧4 螺钉5 直线轴承 6 定位套7 橡胶垫片8 导向直拄9 超磁致伸缩驱动器 1 1 浙江大学硕士学位论文 1 0 拾振传感器支架1 1 底板1 2 拾振传感器 1 3 紧定螺钉1 4 激振器1 5 平台 图2 - - 3 主动隔振装置平面图 2 2 超磁致伸缩驱动器的设计 2 2 1 磁致伸缩现象 物体在磁场中被磁化时，会沿磁化方向发生微量伸长和缩短，这一现象称为 磁致伸缩现象。沿着外磁场方向伸长者为正磁致伸缩，缩短为负磁致伸缩。磁致 伸缩的大小用磁致伸缩系数 ：a t t 来度量， 是衡量磁致伸缩材料性能优劣 的重要指标。 过去常见的铁、钴、镍等金属、铁氧体等氧化磁体中都存在磁致伸缩现象， 但这些材料的 值都很小，只有( 1 0 1 0 0 ) x1 0 一，难以在实际中推广应用。后 来人们发现t e r f e n o l - - d ( 一种铁( f e ) 、铽( t b ) 、镝( d y ) 的稀土合金) 的 值比过去任何一种材料的 值要大数十倍到几百倍，是至今为止发现的最为理 想、最有推广应用价值的磁致伸缩材料。 本文所述的驱动器设计就是采用的t e r f e n o l - - d 。 2 2 2t e r f e n o l - - d 的基本特性 t e r f e n 0 1 - - d 是一种稀土金属合金，它有如下的特性1 6 0 1 ： 1 电阻小，会产生涡流损耗，故高频特性较差，一般用在低频减振为好： 2 磁导率低，要防止漏磁，因而般在闭合磁路的条件下使用； 3 刚性好、性脆、抗拉强度差，使用时一般要在预压状态下。并且施加预压 力时比没有预压力时的磁致伸缩量大。图2 - - 4 就是在不同的预压力p 下t e r f e n o l d 伸缩率变化的试验曲线。 另外，预压力对t e r f e n o l - - d 的其他参数也有一定的影响1 6 1 1 。 图2 5 是预压力对t e r f e n o l - - d 的相对磁导率弘，的影响衄线； 图2 6 是预压力对t e r f e n o l - - d 的柔度系数s u 的影响曲线； 图2 7 是预压力对t e r f e n o l - - d 的磁力耦合系数d 的影响曲线。 当对t e r f e n o l d 做综合全面的分析时，肛，s ”，d 的变化是要考虑的， 本文只对t e r f e n o l - - d 驱动器作原理性探讨时，认为z ，s 8 ，d 都是常数，其 浙江大学硕士学位论文 实在工程应用中，一般也将以，s “，d 作为不变量。 4 由于t e r f e n o l - - d 在正负磁场的作用下都为伸长变形1 6 2 1 , 其产生机械运 动的频率是外加电流频率的两倍，这就是t e r f e n o l - - d 特有的“倍频现象”。因此 使用时应该加一偏置磁场来消去倍频现象，使其机械运动在线性区间内。 爿仕m 腿) 图2 - - 4 预压力对伸缩率 的影响图2 - - 5 预压力对相对磁导率，的影响 图2 - 6 预压力对柔度系数s ”的影响图2 - 7 预压力对磁力耦合系数d 的影响 2 2 3 空心交流电磁路的设计步骤 设计要求：h = 2 1 0 3 0 e 一- - - 1 5 9 1 5 5 a m，= 5 a ( 有效值) 线圈长度k = - 1 0 0 m p h 矿= 5 0 v ( 有效值) 浙江大学硕士学位论文 线圈内径2 1 1 m m 具体设计步骤： 1 根据工作状态选择电流密度，进而确定导线的裸线直径； 工作状态：短时间反复工作磁路； 电流密度：j ；1 0 a m 2 ； 裸线直径：d - 1 a 3 4 手。s 川朋 2 由求出的裸线直径d 和线规表上查得带皮导线的线径d i = 0 8 6 m m ，选用 铜线。 3 求单位长度上的匝数 和单位厚度上的层数n ：，即 n ，。旦：! 旦1 1 0 7 ；1 1 1 面_ c m 。 k d 1 0 5 0 8 6 摊：旦：! 旦，1 0 。1 1 ：1 0 1 五。m 。b d j 1 1 5 x 0 8 6 式中k 指的是线圈的排绕系数： b 指的是线圈的叠绕系数，他们的数值随着导线直径的不同而变化， 见表2 一l 表2 一l 导线直径不同的是n 和k b 的值 导线直径( 一)排绕系数七n叠绕系数 ( o 51 11 1 5 0 5 1 1 0 81 0 5l _ 1 5 1 2 2 4 41 _ 0 5l _ 1 5 4 估算线圈厚度和总匝数 线圈麟中雨h = 高淼拐删 线圈总匝数：n = ( 丹& ) ( n 2 e ) = ( 1 l x l 0 ) ( 1 0 x 2 3 ) 一2 5 3 0 1 五 5 线圈的外半径 1 4 浙江大学硕士学位论文 r 2 - + e + e j ( 2 1 ) 式中 e j 每层所垫绝缘材料的厚度( p + = 0 0 5 r a m ) n ：= n ：e 一线圈的层数 将数据代入即得 r 2 = 5 5 + 2 3 + 0 0 5 x ( 1 0 x 2 3 - 1 ) * 3 0 o m m 6 核算线圈轴向磁场的分布，如不满足则要加大r 2 再算，直至满意为止。对图2 8 所示的多层螺线管线圈，轴线磁场的分布为： 兰! 即姚叫m + f ) 1 n 列鱼( 业等州叫l n 列蔓堕娑 + ，f + ( 工+ z ) 2 1 2+ 【，+ ( ，一工) 2 1 2 ( 1 ) 一 ( 1 ) ，、 v , , 1 百 忖堡i ：j f 一 , p 。、j 1 ( 1 ) f = 三c 2 ，( 2 ) z ，( 3 ) r 2 ，( 4 ) 图2 - - 8 多层线圈 利用上式可求得距线圈轴线中心处d 不同距离处磁场强度如下： 线圈轴线中心处的场强h 。一1 6 0 8 k a m 离中心为2 5 c m 处的场强h ，：1 5 4 4i ( a m 2 i 线圈两端的场强h ，t 8 4 9k a m 计算结果表明：线圈中心处的场强和原设计要求基本相符。但线圈两端的场强和 设计要求有差别，说明线圈内的场强分布是不均匀的，这是因为线圈长度较短所 致。如果线圈长度大大地大于线圈直径时，线圈内的磁场分布就比较均匀了。 7 计算线圈总电阻 由于线圈内通过的是交流电，因而线圈的总电阻由两部分组成：即电阻与感抗。 ( 1 ) 电阻 浙江大学硕士学位论文 r = p r z ( r l 。 式中 s a 一导线的有效截面积；s 。= 三； 以一裸线的直径； p r 一导线的电阻系数；p ，= 0 0 1 1 9 1 ； 将数据代入即得 胄= 0 0 1 1 9 1 ( 5 “3 0 ) 1 0 -