超磁致伸缩微位移驱动器的研究

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伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并建立磁－机械耦合西式,以利于超磁致伸缩器件的研究及设计。     

超磁致伸缩材料及其应用

介绍了超磁致伸缩材料具有高磁致伸缩应变λ，能量转换效率高、工作频带宽、频率特性好；稳定性好、可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无过热失效等特点；开发出的TbxDyt（1-x）Fe，合金，在较低的外磁场下就能达到超磁致伸缩效果，并对TbFez，DyFe2，Tb0.3Dy0.7Fe2（Terfenol-D）做了特性对比；超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面广阔的应用前景，超磁致伸缩材料的应用及研究对发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。     

超磁致伸缩微移动机器人

日本名古屋大学教授福田敏男和新井史人等开展了超磁致伸缩元件的研究工作,他们利用稀土类磁性材料的磁致伸缩特性,在室温下获得形变量大10~(-3)量级的结果.如果改变磁场,磁体就会产生形变的磁性材料称之为磁致伸缩材料,虽然磁致伸缩元件形变位移量很小,但是,由于外部的交流产生磁场变化,因此可用非接触方式使元件产生形变位移动,具有不用导线来作驱动的工作特点,磁致伸缩效应较大的超磁致伸缩元件产生形变位移,过去开发试制若干管内移动机器人可用于管内检查、修理工作,但是,为了使致动器驱动,电源供电缆处理成为问题,而超磁致伸缩驱动器不需要电缆,其形状适宜可做     

超磁致伸缩换能器的磁场和温度场分析及其结构设计

本文针对超磁致伸缩换能器磁路设计进行分析,包括驱动器磁路设计、磁路分析与设计、偏置磁场设计、激励线圈设置、超磁致伸缩棒的处理等,结合超磁致伸缩换能器发热分析,通过研究换能器磁场有限元、伸缩棒磁场有限元、伸缩换能器温度场有限元、样机与测试、测试结果分析等内容,目的在于提高超磁致伸缩换能器运行的稳定性,提升系统运行的可靠性。     

磁感应强度控制的超磁致微位移器电源研究

超磁致伸缩材料是近年发展起来的新型功能材料，应用于微位移驱动器时具有精度高、推力大等优点。在采用磁感应强度作为负反馈控制量的基础上，推导了从控制量得到代表驱动器位移信号的过程，设计了相应的高精度驱动电源。通过实验，对于超磁致伸缩微位移器驱动电源静态和动态特性作了详细的分析和研究。     

超磁致伸缩薄膜性能测试系统研究

针对超磁致伸缩薄膜制备过程中所关心的性能测试问题,提出了利用外加磁场引起薄膜变形,运用微位移传感器测试薄膜变形的新方法,以此为基础,建立了超磁致伸缩薄膜性能测试系统,并通过本系统测试比较了不同条件下制备的Tbo.27 Dy0.73 Fe2 薄膜的磁性能.结果表明,在制备磁致伸缩薄膜材料过程中施加一个平行于薄膜长度方向的磁场,可得到更好的磁致伸缩性能.     

薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状

超磁致伸缩薄膜是一种性能优良的新型微驱动元件,文章介绍了超磁致伸缩薄膜驱动的原理,综述了薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发和最新研究成果,重点介绍了薄膜型超磁致伸缩微执行器在微流体控制系统、线性超声微马达及微小型行走机械中的应用,并对超磁致伸缩薄膜的微执行器中的应用进行了展望。     

超磁致伸缩材料控制模型的研究

超磁致伸缩材料作为一种新型、高效的功能材料在许多领域显示出良好的应用前景,但是由于其存在滞回、非线性等不足,限制了它的进一步应用。文章在分析超磁致伸缩现象产生机理的基础上,给出了其基于磁感应强度的控制模型,并通过分析和实验研究得出,采用磁感应强度的控制方法可减小超磁致伸缩材料滞回,提高其控制精度的结论。     

超磁致微位移直线驱动器

超磁致材料TbxDy1-xFey(GMM)是A.E.Clark于70年代发现的新型稀土－铁系功能材料，近几年来，作为高科技功能材料得到了迅速发展，这种材料由于具有很大的室温超磁致伸缩应变量，高的电（磁）能－机械能转换率，高能量密度，伸缩应力大，机械响应快等优异特性，因而有着广泛的应用前景。该文设计了一种高出力，快响应，可控性好的超磁致微位移直线驱动器，文中对超磁致微位移直线驱动机理进行了探讨，并在MATLAB平台上，以有限元分析（FEM）为基础研制了CAD软件，示出了采用椭圆模态驱动的超磁致振子组合结构的微位移直线驱动器。     

基于功率MOSFET的超磁致伸缩执行器驱动电源

在分析超磁致伸缩材料的驱动特性及超磁伸缩执行器驱动电源特点的基础上,采用连续调整型恒流源的原理,并选用功率MOSFET作为功率放大元件,研制出－3－＋3A连续可调的高精度超微致伸缩执行器驱动电源。实际测试的结果表明其性能良好,可以满足驱动超微致伸缩材料的要求。     

新型惯性压电驱动机构的仿真分析

提出通过机械方式控制压电驱动机构和支撑面之间正压力的有序变化,形成有规律的新型惯性压电驱动机构的研究方案。分析了机构的运动机理,建立了机构的动力学模型,应用现代控制理论,利用Matlab对机构进行运动学仿真,得到了机构位移仿真曲线,设计、制作了驱动机构样机,并作了相关的性能测试。仿真计算和试验结果表明了运动机理和动力学模型的正确性。     

一体双驱对称式压电悬臂梁微驱动器

设计了一种一体化加工的双驱对称式压电悬臂梁微驱动器。对压电驱动器工作原理、压电驱动器在准静态工况与共振工况下的输出特性进行了理论分析,确定压电驱动器几何尺寸。介绍了压电驱动器的多层复合结构与一体双驱的实现方式。制作了压电驱动器样机,并通过有限元仿真分析与测试实验相结合的方式得到压电驱动器的阻抗特性与输出特性曲线。将压电驱动器运用在轮式机器人,验证了设计的可行性。     

磁致伸缩棒驱动的双向电静液作动器

该文设计了一种由磁致伸缩材料驱动的电静液作动器,通过主动配流阀的整流作用,实现了作动器内部油液的单向流动,并通过改变驱动电流的相位角,实现了作动器的双向运动及连续可控流量的输出。通过MATLAB/Simulilnk对作动器系统进行数学建模,分析了相位角与作动器输出流量的关系。最后搭建作动器性能测试平台,通过改变驱动电流的相位角,测量作动器的双向输出位移,并得到不同驱动频率下的作动器输出流量,实验结果表明,在系统偏压为0.6 MPa,驱动频率为120 Hz时作动器的最大无负载输出流量为1.28 L/min。     

自感知执行器—传感器、执行器集成新概念

总结了传感器与执行器集成的两种方式,即结构集成和功能集成,功能集成就是自感知执行器,如果待测信号能从执行器的控制信号中分离出来,理论上讲基于电磁耦合和机电耦合等可逆效应的换能器都可作自感知执行器,重点分析了压电材料作自感知执行器的物理基础,基于应变速度电桥电路制成了压电陶瓷自感知执行器,实验表明能有效抑制悬臂梁的振动。     

压电执行器非线性控制方法研究进展

压电执行器在微驱动和微定位领域应用广泛,但压电执行器在输入电压和输出位移间存在着迟滞非线性。非线性的存在使压电执行器定位精度降低,动态响应速度变慢,是其工程上进一步应用的主要障碍。减小和消除迟滞非线性成为实现高精度控制的关键。总结了近年来国内外在减小和消除压电执行器迟滞非线性方面上的研究工作,并指出当今研究的热点及未来研究的方向。     

环形电极压电驱动器极化电压和力学性能分析

提出一种新型环形电极压电驱动器,运用ABAQUS软件对此驱动器进行电场和力学分析。着重研究环形电极分支中心距和电极宽度对极化电压和驱动性能的影响,并与普通形电极压电驱动器的极化电压和驱动性能对比。结果表明,环形电极压电驱动器的极化电压为普通形电极的1/2,环形电极结构降低压电驱动器对极化电压的要求;减小电极分支中心距、增大电极宽度,有利于降低环形电极压电驱动器的极化电压;当工作电压为90 V时,环形电极压电驱动器的径向夹持力达到普通形电极的5.2倍,径向自由位移达到普通形电极的2.6倍。     

管道微机器人中压电执行器的研究

微执行器作为微机械系统的核心单元,一直是微机械发展关键。文章介绍了一种应用于管道微机器人的足式压电执行器。在交变电压作用下,该压电执行器将压电体的弯曲振动转化成其弹性足沿管壁的移动,从而实现执行器的运动。在分析其工作原理的基础上,研制了压电微执行器的驱动电源,并进行了简单的实验研究。研究表明该执行器具有结构简单,易于微型化,响应快,驱动方便等特点。     

双晶片压电驱动器的研究

为实现较大的驱动力和速度,提出一种新型压电驱动器,研究了驱动器输出性能随压电泵工作腔数、频率的变化规律。制作驱动器,分别进行十腔串联压电泵/五腔压电泵并联、3~5个压电振子工作、50~400 Hz频率下的输出试验。结果表明,压电泵并联时驱动器的最佳输出功率较大;工作的振子数目不同,存在不同的最佳频率使驱动器的输出速度最大,相同的频率使输出推力最大;最佳频率时,驱动器的输出与工作的振子数目呈正比。在150V、380Hz时驱动器输出功率最大,此时输出速度和推力是10.72mm/s、57.7N。     

Tracking control of a piezoceramic actuator with hysteresis compensation using inverse Preisach model

This paper presents the classical Preisach hysteresis modeling and tracking control of a curved pre-stressed piezoceramic patch actuator system with severe hysteresis. The actuator is also flexible with very small inherent damping. It has potential applications in active antennas. A series of tests are conducted to study the hysteresis properties of the piezoceramic actuator system. The numerical expressions of the classical Preisach model for different input variations are presented. The classical Preisach model is applied to simulate the static hysteresis behavior of the system. Higher order hysteresis reversal curves predicted by the classical Preisach model are verified experimentally. The good agreement found between the measured and predicted curves showed that the classical Preisach model is an effective mean for modeling the hysteresis of the piezoceramic actuator system. Subsequently, the inverse classical Preisach model is established and applied to cancel the hysteresis the piezoceramic actuator system for the real-time microposition tracking control. In order to improve the control accuracy and to increase damping of the actuator system, a cascaded PD/lead-lag feedback controller is designed with consideration of the dynamics of the actuator. In the experiments, two cases are considered, control with major loop hysteresis compensation, and control with minor loop hysteresis compensation. Experimental results show that RMS tracking errors are reduced by 50% to 70% if the hysteresis compensation is added in the feedforward path in both cases. Therefore, hysteresis compensation with the feedback controller greatly improves the tracking control accuracy of the piezoceramic actuator.     

MEMS静电驱动器的场致电子发射效应研究

为研究MEMS静电驱动器的场电子发射效应,设计并加工了排斥驱动器和平行板驱动器两种不同结构的静电驱动器,实验测试了电极间漏电流随驱动电压的变化关系,验证了其满足场发射效应的FN理论公式,从而首次观察到静电排斥驱动器的场致电子发射效应.根据测试结果计算得到了所设计的两种MEMS静电驱动器的名义发射面积和场增强因子.由于器件自身的结构设计特征,平行板驱动器相对于排斥驱动器具有更大的名义发射面积和更小的场增强因子.