超磁致伸缩驱动器建模及其迟滞补偿

本文提出了用超磁致伸缩材料与压曲放大机构相结合构成微位移驱动器的方法,建立了超磁致伸缩执行器的控制系统传递函数模型。文中对所建立的系统进行了相频和幅频特性的理论分析和实验,合理地解释了此系统的迟滞曲线随输入信号频率变化的原因。为了进行迟滞非线性补偿,提出了相位补偿与迟滞逆模型相结合来补偿迟滞特性的控制方法。实验结果证明了系统理论模型的准确性和补偿控制方法的有效性。     

超磁致伸缩材料微位移驱动器的实验研究

针对超磁致伸缩材料微位移驱动器在精密定位控制中存在的迟滞和位移非线性等不足,对超磁致伸缩材料微位移驱动器进行实验研究,介绍了微位移驱动器中预紧机构和放大机构的设计理论、设计过程和研究方法。研究结果表明:微位移驱动器的控制精度高、重复性好且适用范围较大。     

超磁致伸缩材料微位移执行器的设计理论及方法

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料,其微位移执行器的设计理论和方法具有特殊性。分析了超磁致伸缩材料的工作特性,给出了超磁致伸缩微位移执行器的原型。在此基础上,建立了执行器的微位移传递机构、磁路、驱动线圈及其冷却等几个关键部分的数学模型,并提出其设计理论和方法。同时,采用上述理论和方法研制了超磁致伸缩微位移执行器样机,通过试验验证了其正确性和实用性。     

超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型

超磁致伸缩微位移执行器应用于精密、超精密加工场合时,执行器系统易受外负载影响,且在动态工作状态下会产生磁滞和涡流等效应,引起工作性能发生改变。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。试验结果显示模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导。     

超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

正超磁致伸缩材料以其大磁致伸缩系数、高机电耦合系数、快速响应能力、易于驱动等特点而备受关注。该材料具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应,在工作过程中表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动装置,利用磁致伸缩逆效应可制作传感器。当超磁致伸缩材料工作在机械约束条件下,磁致伸缩正效应和逆效应会发生耦合。如果研究磁致伸缩正逆效应耦合特性,可利用正逆耦合效应开发兼具执行和传感功能的磁致伸缩器件。开发单体微位移驱动设备使之兼具执行和传感等多种用途,是微位移驱动领域理论研究与工程应用的趋势所在;并且,在精密、超精密加工领域,例如精密机械抛光加工中的压力控制,需要一种具有恒定输出力或输出力可控的驱动机构。因此,利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆     

新型高速强力电磁阀设计

提出了在体积、位移及驱动力等多目标约束条件下的高速强力电磁阀的设计方法。采用超磁致伸缩材料作为阀芯的高频响应元件，及精心设计的阀驱动电路，以提高电磁阀的响应频率；设计了可保持超磁致伸缩材料端面压力恒定，而可以放大阀芯位移量的多级新型微位移放大机构，以满足材料性能和阀芯开启量的要求。     

基于双曲正切函数磁滞算子的超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型

经典Preisach算子存在不能反映单元算子磁滞输出依赖于输入变化率的固有缺陷,为扩大Preisach磁滞模型的应用范围,提出一种基于双曲正切函数的动态Preisach磁滞算子,其形状参数为输入变化率的双曲正切函数,该算子可描述超磁致伸缩驱动器磁滞依赖输入变化率的特性。在此基础上构造出超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型,并利用BP神经网络完成动态Preisach模型的参数辨识。进行超磁致伸缩驱驱动器磁滞输出试验研究,将驱动频率分别为40 Hz、70 Hz、100 Hz的正弦电流下超磁致伸驱动器(Giant magnetostrictive actuator,GMA)输出位移试验数据作为训练样本数据,并另取训练样本数据中未包含的100 Hz以下20 Hz、50 Hz、80 Hz与100 Hz以上120 Hz、130 Hz、150 Hz共六种频率信号下GMA输出位移试验数据对其预测能力进行检验,结果表明该动态模型能够较为精确地描述超磁致伸缩驱动器的动态磁滞现象并具有较好的模型泛化能力。在0~150 Hz频率的输入电流下,该动态Preisach模型的最大预测位移均方误差为2.87μm,最大绝对位移误差为4.4μm。研究结果可广泛应用于GMA实时控制系统,提高GMA器件的控制精度。     

基于GMM直动阀位移放大机构的结构研究

超磁致伸缩材料具有响应速度快、磁致伸缩应变大、输出力大等诸多优点,已广泛应用于流体传动与控制领域。针对GMA输出力大输出位移小的特点,在分析现有常见放大机构优缺点的基础上,结合GMM直动式伺服阀实际结构,设计出一种“F”型杠杆放大直动式电液伺服阀,介绍了其结构组成及其工作原理,导出了位移放大数学模型,结果表明该新型机构具有结构紧凑、放大倍数高、GMA输出位移与阀芯输入位移呈非线性等特点。     

大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制

实现一种新型的固态智能材料驱动大行程精密驱动器的设计和控制。基于超磁致伸缩驱动原理和柔性铰链放大机构,采用非永磁和永磁偏置驱动器粗—精驱动组合设计,研制大行程精密超磁致伸缩组合驱动器。建立永磁偏置下的电磁、永磁复合磁场激励的驱动器位移控制系统传递函数模型,实现了粗、精分级精密定位控制方法。实现一套超磁致伸缩组合驱动器原型样机,并进行了精密定位驱动试验验证测试。试验结果证明系统模型的准确性和控制方法的有效性,样机驱动行程可达0.71 mm。并测得在温升负效应情况下,控制行程在0.6 mm范围内,所设计超磁致伸缩组合驱动器位移分辨率为±30 nm,驱动位移精度达±90 nm。研究成果可广泛用于基于固态智能材料驱动的大行程精密驱动装置的设计和实现。     

超磁致伸缩微位移驱动系统的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,机电耦合系数大等特性。文章分析了超磁致伸缩材料的驱动原理,介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成及工作原理。并对该系统的伸长量,微位移精度等性能指标进行了实验研究。     

超磁致伸缩电—机转换器位移感知模型及滞环分析

超磁致伸缩电—机转换器响应快、可靠性高,但动态驱动时,因受磁滞、涡流等因素影响,输出位移的滞环较大。需要以准确的数学模型为基础,通过控制算法来补偿滞环,或通过优化其结构参数来降低滞环。通过实时测量超磁致伸缩棒上所绕线圈两端的感应电压和推导此感应电压与超磁致伸缩电—机转换器输出位移的关系,建立实时反映超磁致伸缩棒磁化状态的超磁致伸缩电—机转换器动态位移感知模型,并进一步推导出了超磁致伸缩电—机转换器输出位移的滞环与其结构参数的关系。通过与试验结果对比,当驱动频率小于300 Hz时,由所建模型计算出的位移峰—峰值的相对误差小于5.8%;通过仿真研究超磁致伸缩电—机转换器结构参数对输出位移滞环的影响,得出增加预压弹簧的刚度,可以降低动态驱动时的滞环。     

Magnetostrictive and Kinematic Model Considering the Dynamic Hysteresis and Energy Loss for GMA

Due to the influence of magnetic hysteresis and energy loss inherent in giant magnetostrictive materials (GMM), output displacement accuracy of giant magnetostrictive actuator (GMA) can not meet the precision and ultra precision machining. Using a GMM rod as the core driving element, a GMA which may be used in the field of precision and ultra precision drive engineering is designed through modular design method. Based on the Armstrong theory and elastic Gibbs free energy theory, a nonlinear magnetostriction model which considers magnetic hysteresis and energy loss characteristics is established. Moreover, the mechanical system differential equation model for GMA is established by utilizing D’Alembert’s principle. Experimental results show that the model can preferably predict magnetization property, magnetic potential orientation, energy loss for GMM. It is also able to describe magnetostrictive elongation and output displacement of GMA. Research results will provide a theoretical basis for solving the dynamic magnetic hysteresis, energy loss and working precision for GMA fundamentally.     

GIANT MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR IN SERVO VALVE AND MICRO PIPE ROBOT

Performance of giant magnetostrictive material (GMM) is introduced. Principle of work, basic structure and key techniques of giant magnetostrictive actuator (GMA) are analyzed. Its dynamic models of magneto-mechanical coupling are established. The structure and principle of the pneumatic servo valve and the micro pipe robot with new homemade GMM are presented. The experiment is carried out under typical working conditions. The experiment results show that the GMM pneumatic servo valve has wide pressure control characteristics, good linearity, and fast response speed. The movement principles of the GMM robot system are reliably feasible and its maximal moving speed is about 8 mm/s. It is preferable to the driving frequency of the robot within 100-300 Hz.     

影响超磁致伸缩执行器中逆效应性能的主要因素

超磁致伸缩材料(GMM)是一种具有双向可逆换能效应(磁-机、机-磁)的新型功能材料,利用其逆效应在超磁致伸缩执行器(GMA)驱动过程中感知出传感信号,可实现自感知执行器.探讨超磁致伸缩逆效应的机理,设计一种试验方法,验证了超磁致伸缩执行器中的磁致伸缩逆效应.揭示预压应力、偏置磁场和激振力频率等因素对超磁致伸缩逆效应性能的影响规律,预压应力越大则逆效应性能越差,适当的偏置磁场可使逆效应性能显著增强,激振力频率越高,力感知灵敏度越高,但不成简单的正比关系.试验证明了GMA作力传感器有效性,提出一种分时结构的自感知GMA.     

基于超磁致伸缩材料微位移驱动器的原理及实验研究

文章分析了超磁致伸缩材料的特性和驱动原理,在此基础上自行研制了超磁致伸缩微位移驱动器,并设计了测控系统。经实验获得该驱动器偏置电流、预压力和静态位移输出等性能参数,结果表明驱动器性能达到精密定位控制的要求,为研制精密加工部件奠定基础。     

超磁致伸缩微位移给进器异形板弹簧有限元分析

超磁致伸缩微位移给进器是以超磁致伸缩材料为核心、以自动控制理论为基础典型的机电产品。主要通过超磁致伸缩致动元件和微位移传感器实现闭环控制系统，并在软件上实现对磁致伸缩滞后等因素进行补偿，完成车刀的精密给进。根据内燃机活塞异形加工的要求，对超磁致伸缩微位移给进器的关键部件-异形板弹簧进行了有限元分析。通过有限元的计算结果发现，该异形板弹簧的最大应力值出现在弹簧的螺栓孔处，最大变形位置为顶端。这在设计时必须加以考虑。     

超磁致伸缩驱动器及有限元分析方法的研究

新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨力高及位移范围大等特点,将其应用于微位移驱动器中,将极大的提高驱动器的性能指标,从而推动超精加工技术的发展.文中介绍了应用超磁致伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并利用有限元方法对建立磁-机械耦合模型进行分析,以利于计算机的模拟仿真,对驱动器进行分析及设计.     

基于神经网络的超磁致伸缩智能构件滑模控制

提出了一种利用超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material GMM）智能构件精密加工活塞异形孔方法。 为了消除GMM智能构件迟滞非线性影响,提出一种神经网络前馈复合离散滑模变结构控制策略,实现GMM智能构件的精密位移控制。将智能构件的输出位移及其变化率作为小脑模型神经网络（CMAC）输入,构件的输入电流作为网络输出,利用CMAC在线自学习能力建立GMM智能构件的迟滞逆模型,神经网络的建模近似误差以及外界干扰通过离散滑模变结构控制器来消除。仿真结果表明此控制策略能在线建立智能构件的迟滞逆模型,消除迟滞非线性的影响,可实现智能构件的精密位移控制。     

Non-linear compensation and displacement control of the bias-rate-dependent hysteresis of a magnetostrictive actuator

Magnetostrictive actuators invariably exhibit bias-rate-dependent hysteresis, which could cause vibration and error in the micro-positioning control. We present a methodology for linearization control for the hysteresis of a magnetostrictive actuator with a wide range of input rates and biases. The hysteresis compensation is attained through application of a dynamic Bouc-Wen model and experimental measured hysteresis properties of the magnetostrictive actuator under inputs with different frequencies and biases. The effectiveness of the compensator for hysteresis is demonstrated through experimental results of the magnetostrictive actuator under inputs at different frequencies and bias levels. Based on the proposed compensator, a displacement PID controller is applied to force the output displacement of the magnetostrictive actuator to track the desired displacement accurately thereafter. The maximum absolute tracking errors is 0.052 μm. Compared to the control results without the compensator, the compensator can reduce the control error by about 85%. The results indicate that this study provides an effective method which can compensate the hysteresis of the magnetostrictive actuator under different frequencies and biases of inputs.