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康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執(zhí)行器特性分析
超磁致伸縮執(zhí)行器具有推力強(qiáng)、輸出位移大、反應(yīng)迅速和分辨率高等優(yōu)點(diǎn),在微位移執(zhí)行器、機(jī)器人、主動(dòng)振動(dòng)控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。超磁致伸縮微納米執(zhí)行器(GMA)利用超磁致伸縮材料的磁致效應(yīng),通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng),實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮材料微伸縮,達(dá)到微納米高精度定位目的。超磁致伸縮微納米執(zhí)行器已經(jīng)被廣泛研究與開(kāi)發(fā),其應(yīng)用包括機(jī)械加工、航天、汽車等領(lǐng)域。傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器通過(guò)改變線圈電流實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮材料微位移輸出可調(diào)。然而,超磁致伸縮執(zhí)行器輸出特性存在強(qiáng)烈的本征非線性和磁滯特性,阻礙了超磁致伸縮執(zhí)行器的發(fā)展與應(yīng)用。

康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執(zhí)行器特性分析
本文對(duì)基于J-A磁滯模型、壓磁方程、二次疇轉(zhuǎn)模型和超磁滯伸縮執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)特性的超磁致伸縮執(zhí)行器非線性動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行分析,并對(duì)所建立的超磁致伸縮執(zhí)行器的非線性動(dòng)態(tài)模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。 為改善超磁致伸縮執(zhí)行器控制系統(tǒng)的定位精度,提出了將模糊理論與PID理論相結(jié)合的復(fù)合控制策略。該策略將模糊積分作用引入常規(guī)模糊控制器,實(shí)現(xiàn)了模糊PID控制;在控制過(guò)程中的不同階段采用不同的控制方式。利用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)了P-模糊PID控制器。在simulink圖形仿真環(huán)境下,利用P-模糊PID控制、常規(guī)模糊控制和常規(guī)PID控制方法進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。經(jīng)仿真比較和分析,P-模糊PID控制在保持常規(guī)模糊控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),對(duì)其響應(yīng)速度和靈敏度實(shí)現(xiàn)了改善,控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制;P-模糊PID控制下的超磁致伸縮執(zhí)行器響應(yīng)迅速,無(wú)超調(diào),控制精度高。zui后,提出了帶前饋補(bǔ)償?shù)腜-模糊PID控制策略,并對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)和閉環(huán)P-模糊PID控制環(huán)節(jié)的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研供可能。
在維持一定的微位移輸出時(shí),電流需要一直保持。此時(shí),執(zhí)行器無(wú)機(jī)械功率輸出,輸入功率以熱的形式消耗在線圈電阻上,執(zhí)行器效率幾乎為零。此外,在低頻(10 Hz)輸出情況下,傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器的效率也比較低。為了解決傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器在維持恒定微位移和低頻工作條件下的低效問(wèn)題,本論文設(shè)計(jì)了一種新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器(Motor-Driven Giant Magnetostrictive Actuator, MDGMA)。而MDGMA利用旋轉(zhuǎn)永磁體方式改變超磁致伸縮材料內(nèi)部磁通,實(shí)現(xiàn)微位移輸出可調(diào)。在維持恒定輸出微位移時(shí),MDGMA只要維持永磁體空間位置即可實(shí)現(xiàn)恒微位移輸出。此時(shí),電機(jī)不吸收功率,執(zhí)行器效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器。通過(guò)理論、模擬和實(shí)驗(yàn)證明,MDGMA能實(shí)現(xiàn)低頻微位移輸出可調(diào)和維持恒定位移輸出時(shí)的高效。論文分別從理論、模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證MDGMA這一概念的正確性。首先,利用磁路方法建立了數(shù)學(xué)模型,給出了輸出微位移與驅(qū)動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間的關(guān)系表達(dá)式；其次,利用三維有限元計(jì)算方法驗(yàn)證了MDGMA這一概念,分析了不同勵(lì)磁磁場(chǎng)、不同永磁體形狀和不同旋轉(zhuǎn)角度下的磁場(chǎng)分布；zui后,在超磁致伸縮材料鐵鎵合金特性曲線測(cè)試及機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,加工制作了樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執(zhí)行器特性分析
實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果高度吻合,該新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮執(zhí)行器摒棄傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器線圈電流驅(qū)動(dòng)方式,而是采用旋轉(zhuǎn)永磁體驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器利用線圈電流改變超磁致伸縮材料內(nèi)部磁通,實(shí)現(xiàn)微位移輸出可調(diào)。切實(shí)驗(yàn)證了MDGMA這一概念的正確性。本論文所設(shè)計(jì)的MDGMA具有連續(xù)輸出位移可調(diào)、發(fā)熱量小和高效等優(yōu)點(diǎn),在高效制動(dòng)裝置、高精度定位平臺(tái)、高精度機(jī)械加工執(zhí)行器和中凸變橢圓活塞加工執(zhí)行器中具有重要應(yīng)用前景。