巨磁致伸缩自适应精密驱动和振动控制

针对巨磁致伸缩系统的自适应精密驱动和微振动控制系统,结合受控自回归滑动平均模型(CARMA)与递推增广最小二乘法（RELS）相结合对巨磁致伸缩驱动器（GMA）实现在线模型辨识;分别用不同类型的信号作为输入,辨识模型能精确描述GMA输出位移,辨识误差达0.23 %;将改进的广义预测控制算法（MGPC）应用于GMA的闭环位移控制,与最小方差自适应控制（MVSTR）相比,MGPC具有更好的实时性和更高的控制精度,在0～10 μm给定位移下,其驱动控制误差达0.143 μm。最后基于上述CARMA模型和MGPC算法对GMA隔振系统进行微振动控制实验,抑制效果达到20 dB。该研究结果对精密工程及航天振动控制应用具有一定的价值。     

超磁致伸缩作动器非线性模型辨识研究

准确辨识超磁致伸缩作动器非线性模型参数是位移精确控制的必要条件,针对标准粒子群(PSO)算法存在早熟收敛及迭代后期易陷入局部最优的不足,提出一种可动态调整惯性权重、学习因子及带遗传变异的改进型粒子群(IPSO)辨识算法,该算法可平衡全局和局部搜索能力,提高收敛速度和辨识精度,并将该算法应用于超磁致伸缩作动器非线性模型的参数辨识研究。结果表明:该算法能有效可靠地辨识超磁致伸缩作动器非线性模型参数,计算值和实验的吻合程度较高,并且具有一定的抑噪能力。     

超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究

针对超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)具有磁滞非线性现象,以经典Jiles-Atherton模型为基础,建立了包含偏置磁场强度和预压应力的GMA磁滞非线性模型,进行了数值仿真分析,得到了偏置磁场强度和预压应力对GMA磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的影响规律。结果表明,偏置磁场强度对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较大,调整偏置磁场强度的大小,可改变磁化强度曲线的线性区间,并能抑制或消除磁致伸缩应变曲线的倍频效应;预压应力对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较小,施加不同的预压应力,可改变磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的变化率。这与现有试验得到的结论相吻合,验证了所建磁滞非线性模型的合理性。     

微振动主动隔振平台的超磁致伸缩驱动器设计

对三自由度微振动主动隔振平台的基础器件--超磁致伸缩驱动器（GMA）和放大机构进行结构参数的优化设计。基于对GMA系统从能量输入到输出整个过程的电-磁-机械耦合特性分析,提出了结构的能量损耗率最小的优化方法。结构参数优化后的GMA能量损耗率仅为优化前的0.34倍。将优化结果带入驱动系统动力学模型,优化后的位移响应幅值增大为优化前的2.28倍,初始时刻的冲击加速度响应减小为优化前的0.11倍。仿真结果表明基于能量损耗率最小的超磁致伸缩驱动系统的优化设计方法有效,设计结果满足微振动隔振平台对GMA及放大机构的驱动稳定性、驱动效率、驱动幅值的设计要求。     

GMA的温度特性分析及热形变被动补偿方法研究

利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性制成的磁致伸缩智能构件,位移输出精度可达亚微米级,这为精密与超精密加工领域提供了新的驱动解决方案,这种精密微驱动过程是依靠智能材料的功能性实现的。然而,在磁致伸缩智能构件工作过程中,线圈的焦耳热损耗、材料磁滞与涡流损耗等因素会导致其温度升高,并伴随着材料出现热变形、磁致伸缩系数不稳定等问题,从而严重影响系统的输出性能。为降低温升对磁致伸缩智能构件工作性能的影响,对超磁致伸缩致动器的温度变化特性进行了深入分析,提出一种热形变被动补偿机构,完成了具有热形变自补偿功能的超磁致伸缩致动器设计。实验结果表明,磁致伸缩致动器的主要发热形式和发热源,取决于激励电流形式、工作频率;所设计的超磁致伸缩致动器在工作过程中能够对热形变自动进行补偿。研究结果为提高磁致伸缩智能构件在精密与超精密驱动领域应用过程中的工作精度提供了一种途径。     

基于磁化机理的超磁致伸缩执行器磁滞模型

通过分析超磁致伸缩材料磁畴在外加磁场作用下的运动规律,建立了超磁致伸缩执行器基于磁化机理的磁滞模型。该模型结合执行器的工作条件,充分考虑了材料的非线性和滞回特性。模型包括磁致伸缩和磁化两个子模型,磁致伸缩模型描述了材料应变λ跟磁化强度M之间的关系;磁化模型描述了有效磁场Heff、无磁滞磁化Man、可逆磁化Mrev、不可逆磁化Mirr、总磁化强度M之间的关系。通过对实验测试结果进行分析,验证了模型能准确描述输入电流I与输出应变λ之间的关系。     

超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型及求逆算法

超磁致伸缩执行器在其工作过程中易受环境影响,尤其在精密定位与进给应用中,执行器最易受外部应力的影响.将工作在压应力影响下的超磁致伸缩执行器作为研究对象,引用均质能量场模型和磁机耦合理论,利用磁机耦合理论中求取的平均磁化强度作为均质能量场模型中的磁滞算子,并引入应力对均质能量场模型中矫顽场密度函数及交互场密度函数的影响,提出了超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型.对模型进行了离散化处理,并根据离散模型给出了求逆算法.对执行器在受0、10、20、100MPa压应力下进行了仿真,计算且图示了求逆算法与模型的误差,仿真结果证明了模型和求逆算法的有效性.     

圆筒状超磁致伸缩致动器磁场研究与仿真

为设计圆筒状超磁致伸缩致动器(GMA),采用基于磁路的方法对圆筒状超磁致伸缩材料(GMM)内的磁场强度进行计算,基于Maxwell软件建立了圆筒状GMA的3D模型并对磁路结构中各部件尺寸及GMA筒内构件的磁导率对磁场的影响进行了仿真研究。结果表明:在闭合的磁路结构中,对于给定的线圈匝数和激励电流,GMM筒中磁场强度大小受GMM筒轴向长度影响较大且为负相关。磁场均匀性方面,影响较大的是穿过圆筒状GMA构件的磁导率和导磁环轴向长度,二者均与磁场不均匀度正相关。     

伺服阀用超磁致伸缩致动器结构设计及输出位移建模

针对传统永磁偏置式超磁致伸缩致动器轴向偏置磁场均匀性较差的问题,设计了一种具有分布式永磁体偏置结构的阀用超磁致伸缩致动器;采用控制变量的方法,在限定超磁致伸缩致动器结构尺寸的条件下,通过改变超磁致伸缩棒的段数,对致动器偏置磁场进行仿真分析,并确定了最佳分布结构;基于磁阻理论、J-A模型、二次畴转模型及振动理论知识建立了阀用超磁致伸缩致动器的输出位移模型,并通过Matlab中lsim函数对致动器的阶跃响应及谐波响应进行了数值求解;为验证结构设计的合理性和模型的准确性,搭建了该致动器的试验系统,并进行了阶跃响应及谐波响应试验;结果表明:所设计的阀用超磁致伸缩致动器阶跃响应时间可达2.37 ms,在20 Hz到200 Hz的驱动频率范围内,试验结果与模型计算结果基本吻合,证明了模型的准确性。     

超磁致伸缩棒磁场强度建模及线圈优化分析

超磁致伸缩棒上的磁场强度对超磁致伸缩致动器(GMA)至关重要,因其幅值和上升、下降时间直接影响致动器的输出力和响应时间.建立电压到磁场强度的模型,并提出较合理的线圈优化方案.将线圈充、放电过程简化为一阶RL线性电路的暂态过程,计算得到线圈电流,并根据线圈电流建立超磁致伸缩棒上的磁场强度模型.由模型可知,致动器尺寸有限制时,棒上磁场强度的优化应主要考虑线圈匝数;通过分析线圈匝数对磁场强度稳态值、上升时间和下降时间的影响确定匝数的取值范围.向线圈施加不同频率和幅值的方波电压信号,得到的模型曲线与测得的实验结果相吻合,从而验证了模型的正确性.     

基于超磁致伸缩作动杆的结构振动主动控制研究

利用磁致伸缩材料的变形机理、磁控特性以及磁机耦合特性,设计出一种磁致伸缩作动杆,分析其工作原理和设计方法。然后利用LQR主动控制算法,将其应用于结构振动主动控制分析中,结果表明GMM作动杆可有效地减小结构的加速度和位移响应,为其在土木工程领域的应用打下了良好的基础。     

超磁致伸缩执行器热误差补偿及抑制方法研究

超磁致伸缩执行器是典型的物性型现代执行器,在精密、超精密加工领域有着广阔的应用前景。对超磁致伸缩执行器的热误差实施有效的补偿或抑制等措施,可以消除或抑制由于温升带来的不利影响,提高执行器的输出精度,这是超磁致伸缩执行器的关键技术之一。针对这一问题,提出了6种热误差补偿及抑制方法,并介绍了这些方法的实现原理,分析了它们的特点及适用场合,同时,对自行研制的相变水冷组合温控系统进行了试验,取得满意的效果。提出的热误差补偿与抑制方法可用于指导各种场合的超磁致伸缩执行器的研究和开发。     

基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应辨识与逆控制

压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性严重影响了其跟踪定位精度,甚至引起闭环系统失稳.本文采用经典PI模型描述压电驱动器的迟滞非线性,利用自适应投影算法对PI模型的权向量进行在线辨识,并与传统的最小二乘辨识方法进行比较.迟滞PI模型的优点是模型存在解析逆,因此本文对压电驱动器采用自适应逆跟踪控制,利用驱动器的输出位移与参考位移之差使用自适应投影算法在线辨识PI模型的权向量,并计算PI逆模型的权向量和阈值,最终得到要输入的电压值.最后实验结果表明自适应逆跟踪控制比传统的逆模型跟踪控制精度提高了49.8%.     

新型纳米级微位移致动器的设计

磁致伸缩型微位移致动器通常采用多晶或孪晶结构材料作为驱动单元 ,由于晶界和孪晶界对畴壁的移动具有阻碍作用 ,其低场下的位移输出较小 ,调控精度受到较大影响。采用Tb Dy Fe单晶材料可以有效解决这一问题 ,本文介绍了采用这一单晶材料设计的新型高精度微位移致动器以及致动器的结构和数控电源     

超磁致伸缩微位移致动器的研究

 基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性设计了一种用于微位移驱动的致动器．分析了致动器工作磁场的组成，计算了线圈的工作电流，并以此为依据设计了稳流电源．分析结果表明，设计的稳流电源满足工作要求；线圈提供的工作磁场能够保证超磁致伸缩棒工作在线性区域。     

超磁致伸缩单晶微位移致动器特性研究

采用高性能Tb0 .3 Dy0 .7Fe2 单晶材料 ,通过优化微位移致动器的机械、磁路参数 ,研制出了具有非水冷结构的新型微位移致动器。致动器的最大线性工作区间为 0 .5～ 3 5 .5 μm ,工作电压为 2～ 2 4V ,饱和驱动量可达 3 9.5 μm