超磁致伸缩执行器驱动电源研究.doc

超磁致伸缩执行器驱动电源研究张明杰 南京航空航天大学 2011、04摘要超磁致伸缩材料（GMM）具有磁致伸缩效应，当材料磁化状态改变时，其尺寸将会产生显著变化。利用超磁致伸缩材料研制的超磁致伸缩执行器（Giant Magnetostrictive Actuator，GMA）具有定位精度高，响应速度快，输出力大，设计相对简单等优点。超磁致伸缩执行器是利用磁致伸缩材料在磁场的激励下产生形变来输出力或转矩，而磁场通过通电线圈产生，所以给线圈提供电流的恒流源的性能关系到整个执行器的性能。本文主要介绍了比较完整的超磁致伸缩驱动恒流源的硬件设计原理，分为直流偏置恒流部分和交流恒流源部分。1.引言磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度变化比体积变化大得多，它是焦耳在1842年发现的。其逆效应称为压磁效应，主要是指磁致伸缩材料发生形变或者受到应力的作用时会引起与材料内部产生形变，导致材料磁场发生变化，利用其压磁效应可制成各种传感器。超磁致伸缩材料（GMM）是近年发展起来的一种新型机敏材料，具有应变力大、强力、能量密度高、响应速度快等优异特点，其研究与应用得到各国学着的关注。基于超磁致伸缩效应研制的超磁致伸缩执行器（GMA）具有广阔的应用前景。基于超磁致伸缩材料研究的微定位仪器、振动器、传感器、阀门控制、机械传动机构及声纳系统已在实际应用中有所展现。2.超磁致伸缩材料的工作机理以及对驱动电源的要求 2.1 超磁致伸缩材料的工作机理磁致伸缩是指磁性体在外加磁场作用下,在磁化方向上产生伸长或缩短的现象。这是由于磁性材料中存在着大量的磁畴,各个磁畴的自发磁化方向不相同,在没有加外磁场时,自发磁化引起的形变互相抵消;外加磁场后,各个磁畴的自发磁化都转向外磁场方向,于是产生了宏观磁致伸缩。 图1为典型的超磁致伸缩材料在预压力为零时的驱动特性曲线。由图可知，超磁致伸缩材料的驱动磁场大约在02000Oe之间，而且在2001800Oe之间线性度较好，所以要求驱动磁场工作在此区间。图1 超磁致伸缩材料的驱动特性曲线2.2 超磁致伸缩材料驱动电源要求由超磁致伸缩材料的驱动特性可知其驱动电源应符合一定的要求：1）超磁致伸缩材料工作在2001800Oe之间，所以驱动电源应在一定的范围连续可调，以使线圈能产生所需要的可连续变化的磁场；2）由于超磁致伸缩材料在正反向磁场中都是伸长的，故所产生的机械运动的频率是驱动电流的两倍（倍频特性,如图2),所以需要外加一个直流电源产生的偏置磁场来消除倍频效应；图2 磁致伸缩材料的倍频和同频现象3）超磁致伸缩材料对控制信号的响应速度主要取决于控制电源输出电流的响应速度，所以电源应有一定的频响；4）由于超磁致伸缩材料主要工作于微、纳米级，所以驱动电源需要很高的稳定性，纹波要小；5）驱动电源的负载为一感性负载，所以需要加以匹配电容进行超前补偿，并需要增加保护电路保证电源正常工作。3.超磁致伸缩材料驱动电源的原理与设计3.1恒流源的工作原理恒流源按照所采用的调整元件不同，可以分为电真空器件恒流源、晶体管恒流源和集成电路恒流源。按照调整方式不同可以分为直接调整型恒流源和间接调整型恒流源。间接调整型根据调整元件的工作方式不同又分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源和组合调整型恒流源。3.1.1直接调整型恒流源主要利用恒流器件（如镇流器、恒流二、三极管）的非线性对负载电流进行直接调整并使其保持稳定，但其大多工作的范围窄或者输出电流小（图3），所以限制了这种恒流源的使用。恒流二极管恒流二极管的伏安特性恒流三极管图3 横流二极管及恒流三极管 3.1.2 间接调整型恒流源1）连续调整型恒流源如图4所示，A是放大器，其同相端接基准电压，反相端接采样电压，由于放大器的作用最后使输出电流在上的压降与基准电压相等，从而保持电流恒定，因此得到，也就是。而且电流在一定范围内连续可调。图4 连续调整型恒流源原理图图5 开关调整型恒流源原理图2) 开关调整型恒流源如图5所示，和图4相比，这里的（直流或交流）用过开关管和滤波电路对负载供电，同样通过采样电阻采样，并通过反馈与基准电压进行比较，然后控制开关管的通断来控制电流的恒定。开关型恒流源适合与输出功率大但对恒流性能要求不高的场合。3）组合调整型恒流源如图6所示，在开关调整稳压电流后紧接连续调整型恒流源电路，因此开关电源电路输出的脉冲纹波经连续调整电路调整后，输出的电流比较稳定。组合调整型恒流源输出容量大，横流性能好，但是电路结构复杂，适合于大功率、高稳定的场合。图6 组合调整型恒流源原理图下表表示各种调整类型的恒流源对比表：表1 各类型恒流源对比 项目电路类型稳定性输出容量相对电源变化的稳定范围相对负载变化的稳定范围电路结构直接型基本电路中小中中很简单间接型连续调整高中中中简单开关调整中大大大复杂组合调整高大大大很复杂3.2 驱动恒流源的设计超磁致伸缩材料（GMM）主要由磁场驱动，而磁场主要是由通电线圈产生，也就是说恒流源的负载呈感性，所以要加以电容进行超前补偿，超磁致伸缩材料会产生倍频效应，需要加偏置磁场予以消除。由此分析可知，恒流源的设计主要有线圈设计、偏置磁场设计和负载匹配设计，还有最主要的主电路设计。3.2.1 线圈设计线圈为超磁致伸缩材料提供所需的磁场，是电能磁能转换的载体，线圈的几何尺寸是影响磁场强度以及电能磁能转换效率的重要因素，也是影响超磁致伸缩执行器体积的重要因素。根据毕奥-萨法尔定律，载流螺线管中的磁感应强度可有下式获得：其中，R为螺线管半径，螺线管长度为L，N为螺线管匝数，在长度dl内有Ndl匝，螺线管的轴线方向为x轴。令r=，x-l= ， 则B=其中角在螺线管两端处的值。, 由以上公式就可得到所需磁场强度时所需要施加的电流I的大小，而且磁感应强度B是x的函数，随x变化，但是螺线管中部范围内的磁场是均匀的（如图7），所以在设计线圈时，要使线圈略长于超磁致伸缩棒，可以改善超磁致伸缩棒中磁场的均匀度，避免边端效应。图7 螺线管内B随x变化曲线3.2.2 偏置磁场设计在消除倍频效应设置偏置磁场时，一般取偏置磁场为磁致伸缩执行器最大伸长量一半对应的磁场大小，偏置磁场可由通电线圈产生，也可由恒定磁场产生，线圈发热会影响执行器的效率，而恒定磁场会增加重量并且磁路磁阻变大，磁滞损耗增大，所以在设计偏置磁场时要综合考虑。3.2.3 负载匹配设计 负载匹配主要有两大类：采用无源元件来改变电路拓扑结构的静电耦合和采用变压器来变换阻抗特性的电磁耦合。对于一台电源设备其额定电压和额定电流取决于电源本身，为使电源能够输出额定功率要求有合适的负载阻抗Z=与电源匹配，如果不匹配电源的利用率就会降低。恒流源的线圈负载呈感性，需要增加电容进行匹配。匹配电容器与线圈的连接有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：串联谐振电路和并联谐振电路。下表是串联谐振和并联谐振电路的比较。由表可以看出，串联谐振电路发生谐振时等效负载阻抗为纯电阻，而且达到最小值；并联谐振电路在发生谐振时等效负载阻抗达到最大值。相对串联谐振，并联谐振时改变L、C、R都可以改变负载阻抗的大小，所以并联谐振的负载匹配显得更加灵活。类别串联谐振电路并联谐振电路电路拓扑图阻抗频率特性谐振等效阻抗谐振类型电压谐振电流谐振表2 串联谐振和并联谐振电路的比较3.2.4 主电路设计图8 恒流源直流偏置电路设计如图8所示为恒流源直流部分设计电路，电路采用双环控制，内环用闭环负反馈，实现硬件电路的恒流，外环采用软件校正误差，实现电路的灵活性和稳定性。由运放电路的虚短和虚断分析可知，,其中是A/D转换后输入的电压。由上式可得硬件电路反馈部分实现的恒流，适当选取各个电阻的值可以使输出电流趋于恒定，由此可见输出电流只与输入电压和相应电阻有关而与负载无关，如果适当调整输入电压，则输出电流就可以在一定范围内连续可调。后继采用乙类互补功率对称放大电路，有利于减小管耗而且可以提高效率。以上是直流偏置部分的电路，下面介绍交流横流电路部分的设计，如图9所示，电路包括整流滤波、逆变、反馈及部分组成。图9 交流恒流源电路图电路采用四路PWM脉冲产生信号，分别驱动4个MOSFET，负载匹配部分采用开关通断控制的三个并联电容器来调整阻抗值，反馈部分采用电流传感器，然后用A/D转换器转换为数字信号由DSP进行处理。4.总结本文主要总结了超磁致伸缩致动器的工作原理以及驱动电源的设计原理，主要通过对直流恒流源和交流恒流源设计原理的介绍更深一步的介绍了超磁致伸缩致动器的驱动机制。这类电源不仅可以用于超磁致伸缩致动器，而且可以用于其它要求恒流的场合。5.参考文献1 唐志峰,项占琴，吕福在. 稀土超磁致伸缩执行器优化设计及控制建模. 浙江大学：中国机械工程，2005.2 葛荣杰. 基于嵌入式GMA的非圆孔精密加工镗杆及其驱动源的设计与研究.杭州：浙江大学论文，2007.3 杨兴，贾振元，武丹. 基于功率MOSFET的超磁致伸缩执行器驱动电源. 大连：压电与声光，2001.4 高迎慧，彭咏龙. 感应加热电源的负载匹配方案. 河北保定：电源技术应用，2004.5 李相峰，郭前岗，孟彦京. 基于dsPIC30F4012数字信号控制器PWM功能的数控恒流源设计. 陕西：陕西科技大学学报，2008.6 舒亮. 超磁致伸缩致动器精密定位控制与研究. 湖北武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2008.7 刘楚辉，邬义杰. 基于超磁致伸缩材料的微位移制动器设计与研究. 浙江：浙江大学硕士学位论文,2004.8 翁玲，王博文. 磁致伸缩致动器控制系统的研制. 河北：河北工业大学硕士学位论文，2003.9 Bintang Yang, Guang Meng, Zhi-Qiang Feng. Giant magnetostrictive clamping mechanism for heavy-load and precise positioning linear inchworm motors. Shanghai, Mechatronics,2010.10 Jianjun Zhou,