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康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執行器特性分析
超磁致伸縮執行器具有推力強、輸出位移大、反應迅速和分辨率高等優點,在微位移執行器、機器人、主動振動控制等領域展現出了廣闊的應用前景。超磁致伸縮微納米執行器(GMA)利用超磁致伸縮材料的磁致效應,通過改變驅動磁場,實現超磁致伸縮材料微伸縮,達到微納米高精度定位目的。超磁致伸縮微納米執行器已經被廣泛研究與開發,其應用包括機械加工、航天、汽車等領域。傳統超磁致伸縮執行器通過改變線圈電流實現超磁致伸縮材料微位移輸出可調。然而,超磁致伸縮執行器輸出特性存在強烈的本征非線性和磁滯特性,阻礙了超磁致伸縮執行器的發展與應用。

康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執行器特性分析
本文對基于J-A磁滯模型、壓磁方程、二次疇轉模型和超磁滯伸縮執行器動力學特性的超磁致伸縮執行器非線性動態模型進行分析,并對所建立的超磁致伸縮執行器的非線性動態模型的數值實現進行了研究。 為改善超磁致伸縮執行器控制系統的定位精度,提出了將模糊理論與PID理論相結合的復合控制策略。該策略將模糊積分作用引入常規模糊控制器,實現了模糊PID控制;在控制過程中的不同階段采用不同的控制方式。利用MATLAB模糊邏輯工具箱設計了P-模糊PID控制器。在simulink圖形仿真環境下,利用P-模糊PID控制、常規模糊控制和常規PID控制方法進行控制實驗。經仿真比較和分析,P-模糊PID控制在保持常規模糊控制優點的同時,對其響應速度和靈敏度實現了改善,控制效果優于常規PID控制;P-模糊PID控制下的超磁致伸縮執行器響應迅速,無超調,控制精度高。zui后,提出了帶前饋補償的P-模糊PID控制策略,并對BP神經網絡逆模型前饋補償環節和閉環P-模糊PID控制環節的軟件實現進行了研供可能。
在維持一定的微位移輸出時,電流需要一直保持。此時,執行器無機械功率輸出,輸入功率以熱的形式消耗在線圈電阻上,執行器效率幾乎為零。此外,在低頻(10 Hz)輸出情況下,傳統超磁致伸縮執行器的效率也比較低。為了解決傳統超磁致伸縮執行器在維持恒定微位移和低頻工作條件下的低效問題,本論文設計了一種新型電機驅動超磁致伸縮執行器(Motor-Driven Giant Magnetostrictive Actuator, MDGMA)。而MDGMA利用旋轉永磁體方式改變超磁致伸縮材料內部磁通,實現微位移輸出可調。在維持恒定輸出微位移時,MDGMA只要維持永磁體空間位置即可實現恒微位移輸出。此時,電機不吸收功率,執行器效率遠遠高于傳統超磁致伸縮執行器。通過理論、模擬和實驗證明,MDGMA能實現低頻微位移輸出可調和維持恒定位移輸出時的高效。論文分別從理論、模擬和實驗來驗證MDGMA這一概念的正確性。首先,利用磁路方法建立了數學模型,給出了輸出微位移與驅動永磁體轉動速度之間的關系表達式；其次,利用三維有限元計算方法驗證了MDGMA這一概念,分析了不同勵磁磁場、不同永磁體形狀和不同旋轉角度下的磁場分布；zui后,在超磁致伸縮材料鐵鎵合金特性曲線測試及機械設計的基礎上,加工制作了樣機,并進行了實驗驗證。

康茂勝CAMOZZI超磁致伸縮執行器特性分析
實驗測試結果與理論分析結果高度吻合,該新型電機驅動超磁致伸縮執行器摒棄傳統超磁致伸縮執行器線圈電流驅動方式,而是采用旋轉永磁體驅動方式。傳統超磁致伸縮執行器利用線圈電流改變超磁致伸縮材料內部磁通,實現微位移輸出可調。切實驗證了MDGMA這一概念的正確性。本論文所設計的MDGMA具有連續輸出位移可調、發熱量小和高效等優點,在高效制動裝置、高精度定位平臺、高精度機械加工執行器和中凸變橢圓活塞加工執行器中具有重要應用前景。