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超磁致伸缩致动器精密定位与控制研究

作　者: 舒亮
导　师: 陈定方；卢全国
学　校: 武汉理工大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 超磁致伸缩材料磁滞建模硬件设计非线性补偿收敛速度
分类号: TP21
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

稀土超磁致伸缩材料(GMM)具有磁致伸缩效应,当材料磁化状态改变时,其尺寸会产生显著变化。这类材料输出力大、应变显著、响应速度快,是改变现有自动控制技术现状,提高产品精确度和系统响应速度的新型功能材料。本文将GMM应用于微致动领域,研制出可以进行精密驱动与精密定位的超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator),简称GMA。这一类致动器定位精度高,响应速度快,输出力大,设计相对简单,应用前景十分广泛。然而材料本身固有的非线性磁滞、蠕变和漂移等缺点,使GMA在相应输入下的变形量是不确定的,很大程度限制了GMA的实用化。论文从超磁致伸缩材料的微观结构入手,介绍了超磁致伸缩材料的特点及其性能,运用铁磁学理论解释了超磁致伸缩材料磁性起源、磁致伸缩过程和磁滞的产生,并阐述了超磁致伸缩材料的基本特性,介绍了超磁致伸缩致动器非线性系统建模方法。设计了一种可以用于精密驱动和精密定位的超磁致伸缩致动器,介绍了其结构设计及其工作原理。为了对超磁致伸缩致动器进行控制,本文基于电流控制模型研究了超磁致伸缩致动器线性动态建模方法,将驱动线圈作为感性负载,与数控恒流源结合进行了整体建模。研究了致动器设计参数与动态性能之间的关系,并采取仿真与实验相结合的方法设计了适用于GMA的PID控制器。建立了以W78E058B单片机为核心的硬件控制平台,设计了与GMA系统功率驱动部分和检测部分相匹配的输入、输出通道,同时以I~2C总线代替并行总线设计键盘输入电路,集成了防抖功能,可靠性较高。为补偿GMA的磁滞非线性,分别研究了线性迭代补偿控制和基于Preisach逆模型的前馈补偿控制两种控制策略,对两种控制策略的控制精度和效率进行了实验对比。为提高程序迭代效率,提出了一种新的非线性前馈补偿算法,在对Preisach模型求逆时,引入稳态误差信号作为参考变量,进行自适应动态调整迭代步长。对比实验表明,与当前的模型求逆算法相比,所提出的算法在保证控制精度的同时可以显著提高系统收敛速度,大大提高了程序的执行效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题研究背景和意义  8-10
    1.1.1 课题研究背景  8-10
    1.1.2 课题研究意义  10
  1.2 研究现状与存在的问题  10-14
    1.2.1 应用器件研究状况  10-14
    1.2.2 研究方法及其存在的问题  14
  1.3 本文研究思路及主要内容  14-17
    1.3.1 研究思路和研究内容  14-15
    1.3.2 论文工作安排  15-17
第2章磁致伸缩机理及GMA建模方法  17-33
  2.1 磁致伸缩的微观机理  17-25
    2.1.1 GMM微观结构  18-19
    2.1.2 GMM磁性起源  19-22
    2.1.3 磁致伸缩过程  22-25
  2.2 超磁致伸缩材料特性与参数  25-29
    2.2.1 磁致伸缩特性  25-26
    2.2.2 倍频特性  26-27
    2.2.3 磁滞损耗与涡流损耗  27
    2.2.4 磁电机耦合特性  27-28
    2.2.5 机电等效特性  28-29
  2.3 GMA建模方法  29-32
    2.3.1 Preisach模型  29-30
    2.3.2 Jile-Atherton模型  30-31
    2.3.3 自由能磁滞模型  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章 GMA线性化动态建模与控制仿真  33-51
  3.1 GMA工作原理及其结构设计  33-34
  3.2 GMA线性化建模与仿真  34-41
  3.3 PID控制器设计与控制仿真  41-50
    3.3.1 GMA参数设计仿真  41-44
    3.3.2 PID参数整定与控制仿真  44-47
    3.3.3 实验研究  47-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章 GMA控制器硬件设计  51-67
  4.1 平台总体框架  51-52
  4.2 位移传感回路  52-54
  4.3 功率驱动  54
  4.4 控制器硬件电路设计  54-66
    4.4.1 电路组成  54-55
    4.4.2 微控器单元  55-56
    4.4.3 A/D转换模块  56-59
    4.4.4 D/A转换模块  59-61
    4.4.5 键盘模块  61-63
    4.4.6 FM12232液晶显示模块  63-66
  4.5 本章小结  66-67
第5章定位补偿控制研究与算法优化  67-83
  5.1 线性迭代补偿控制  67-70
  5.2 非线性前馈补偿控制  70-82
    5.2.1 Preisach磁滞非线性建模  70-71
    5.2.2 Preisach模型离散化  71-74
    5.2.3 主磁滞回线和一阶折返线  74-77
    5.2.4 磁滞逆模型与补偿控制算法  77-82
  5.3 本章小结  82-83
第6章总结与展望  83-85
  6.1 结论  83
  6.2 主要创新点  83-84
  6.3 研究展望  84-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
附录攻读硕士学位期间取得的研究成果  90-91

超磁致伸缩致动器精密定位与控制研究

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