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磁场与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器及其相关技术研究

作　者: 杨兴
导　师: 郭东明；贾振元
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 超磁致伸缩感知微位移执行器磁感应强度闭环控制精密驱动控制模型
分类号: TH703
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

精密驱动及其控制技术是精密和超精密加工、微米／纳米技术等现代制造业中前沿领域的基础和关键技术之一。现代科学技术的发展，对精密驱动及其控制技术提出了更高的要求，人们也不断地采用新型功能材料和新型工作原理来提高精密驱动及其控制技术的水平。稀土铁系超磁致伸缩材料就是近年来发展起来的—种新型的功能材料，具有磁致伸缩应变大、机磁耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优点，已在精密驱动及微位移执行器等领域显示出良好的应用前景。本论文以这种新型的功能材料为基础，以基于该类材料的微位移执行器及其精密驱动系统为研究对象，并采用一些新的原理和方法，为新型、高性能微位移执行器及其精密驱动系统的研究提供一个新的途径与思路。本论文从磁致伸缩现象的产生机理入手，对磁性晶体物理性质之间的关系进行分析和论述，并根据热力学理论，给出了磁性晶体的磁、热和弹性性质的热力学方程。同时，较为系统地对超磁致伸缩材料的伸缩、机磁耦合、动态、压应力、温度等特性进行了分析与阐述，给出其相应的曲线及表达式。为高效、合理地使用超磁致伸缩材料奠定了理论基础；研究、分析了超磁致伸缩材料的驱动原理，重点对本论文所采用的组合式驱动原理进行了研究。指出了目前普遍采用的基于电流强度的控制模型及驱动方法存在的迟滞和非线性严重的现象及产生原因。根据磁介质磁化所遵循的铁磁学、电磁场和电动力学等理论，结合超磁致伸缩材料的驱动特点，建立了—种与磁致伸缩量一一对应的、基于磁感应强度的控制模型及驱动方法。通过理论分析和实验研究表明：这种基于磁感应强度的超磁致伸缩材料的控制模型和控制方法，可有效地提高超磁致伸缩材料的控制精度；研制了具有驱动磁场和微位移感知功能的磁场与位移感知型超磁致伸微位移执行器，并提出了适用于此种执行器的设计理论和方法。其中，采用圆形膜片式柔性结构作为超磁致伸缩微位移执行器的微位移传递、感知一体化机构，应用弹性力学中的薄板弯曲理论、有限元方法对其进行了设计、计算，并给出了相应的挠度和应力解析式及分布曲线；应用电磁理论给出了超磁致伸缩棒内驱动磁场的测量原理及磁场感知功能的具体实现方法，并利用执行器的磁场感知功能对其驱动磁场进行了实际测量，得出了驱动磁场与线圈电流之间的关系，并对其进行了分析和研究；对执行器内部的电磁路和偏置磁路结构进行了设计计算与实验研究，为了减小驱动线圈的发热，对其形状进行了优化设计。研究了驱动磁场的不均匀度对超磁致伸缩棒的磁致伸缩应变和驱动磁场测量的影响，给出了相应的解析式，通过理论计算和实验相结合的方法得出了具体的数据，并采取了一定的措施提高了驱动磁场的均匀度。研究了驱动线圈的发热对执行器的微位移精度的影响，在驱动线圈内部设计了冷却水箱以抑制其发热，给出了冷却水流量的计算公式，闲除了冷却水循环系统；以所u的磁场与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器为核心，构成其微位移驱动系统。研制了基于功率MOSFET的高稳定度智s 申缩执行器驱动电源。在给出系统各组成部分的传递函数的驯上，建立了基于雕应强度闭环和位移闭环控制的超磁致伸缩微位移驱动系统的控制模型和控制方法；最后，对磁扬与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器及其微位移驱动系统的微位移、压力、动态、温度等特性进行了实验研究，并得出了系统的重复定位精度。实酗跪明该系统具有朗的性能：腑曲线的迟滞和非线敝小，重复瞰高，并具有较好的动态性能。同时，通过实验结果和误差合成理论得出了系统基于磁感应强度闭环控制和基于位移闭环控制的定位误差．理论和实验结果证明了本论文所采用的理论和方法的正确性和实用性，也表明了将超磁致伸缩材料应用于微位移执行器及微驱动领域可有效地提高系统的动、静态性能。

全文目录

摘要（中文）  4-6
摘要（英文）  6-9
目录  9-12
第—章绪论  12-28
  1．1 课题的研究背景  12-18
    1．1．1 精密驱动技术在制造业中的地位和作用  12-14
    1．1．2 精密驱动系统的分类及组成原理  14-15
    1．1．3 微位移执行器的分类  15-18
  1．2 超磁致伸缩材料及其执行器的研究及应用现状  18-24
    1．2．1 超磁致伸缩材料  19-20
    1．2．2 超磁致伸缩执行器的应用及研究现状  20-24
  1．3 本课题的研究意义及主要研究内容  24-28
    1．3．1 课题的研究意义  24-26
    1．3．2 论文的主要研究内容  26-28
第二章磁致伸缩现象机理及超磁致伸缩材料的特性  28-44
  2．1 磁致伸缩现象机理  28-32
  2．2 磁致伸缩唯象方程式  32-33
    2．2．1 磁性晶体物理性质之间的关系  32-33
    2．2．2 磁性晶体磁、热和弹性性质的热力学方程  33
  2．3 超磁致伸缩材料的特性  33-43
    2．3．1 晶体晶向及表示方法  33-34
    2．3．2 磁致伸缩特性  34-35
    2．3．3 机磁耦合特性  35-37
    2．3．4 动态特性  37-39
    2．3．5 其它特性  39-43
  2．4 本章小结  43-44
第三章磁介质的磁场定律及超磁致伸缩材料的驱动方法  44-60
  3．1 磁介质的磁场定律及磁性材料特性  44-49
    3．1．1 磁介质的磁场定律  44-47
    3．1．2 磁性材料的分类及特性  47-49
  3．2 超磁致伸缩材料的驱动形式  49-53
  3．3 基于电流的控制模型及驱动方法  53-54
  3．4 基于磁感应强度的控制模型及驱动方法  54-57
  3．5 两种驱动方法的实验研究  57-59
  3．6 本章小结  59-60
第四章磁场与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器的设计理论及方法  60-101
  4．1 执行器总体结构与工作原理  60-62
  4．2 微位移传递机构的研究  62-70
    4．2．1 圆形膜片式微位移传递机构  62-63
    4．2．2 弹性圆薄板弯曲问题的数学模型  63-66
    4．2．3 圆形膜片式微位移传递机构的解析解及设计原理  66-70
  4．3 磁场与位移感知的原理与实现  70-81
    4．3．1 微位移感知功能的原理  70-78
    4．3．2 驱动磁场感知功能的原理  78-81
  4．4 执行器内部的磁场（路）设计与研究  81-93
    4．4．1 磁路的总体分析及设计  81-84
    4．4．2 偏置磁场的设计  84-87
    4．4．3 电磁线圈的功率优化及设计方法  87-93
  4．5 驱动磁场的均匀化及分析  93-97
    4．5．1 驱动磁场的径向均匀度分析  93-96
    4．5．2 驱动磁场的轴向均匀度分析及均匀化  96-97
  4．6 线圈电流与驱动磁场的测量曲线及分析  97-98
  4．7 执行器内部温度分析及冷却水循环装置设计  98-100
  4．8 本章小结  100-101
第五章超磁致伸缩微位移驱动系统及其控制方法  101-118
  5．1 系统的组成及工作原理  101-102
  5．2 高稳定度、智能化超磁致伸缩执行器驱动电源的研究  102-112
    5．2．1 驱动电源的特点及组成  102-103
    5．2．2 数字电路部分的设计及抗干扰措施  103-104
    5．2．3 基于功率MOSFET的高稳定度双向可控恒流源的研究  104-112
  5．3 系统控制模型的研究  112-117
    5．3．1 系统各组成部分的传递函数  112-115
    5．3．2 基于磁感应强度闭环的控制模型的研究  115-116
    5．3．3 基于位移闭环的控制模型的研究  116-117
  5．4 本章小结  117-118
第六章磁场与位移感知型超磁致伸缩执行器及其驱动系统的实验研究  118-128
  6．1 执行器内感知传感器的标定  118-120
    6．1．1 微位移传感器的标定  118-119
    6．1．2 霍尔传感器的标定  119-120
  6．2 执行器及其驱动系统的实验研究  120-125
    6．2．1 位移特性实验  120-121
    6．2．2 动态特性和振动实验  121-123
    6．2．3 压力特性实验  123-124
    6．2．4 温度特性实验  124-125
    6．2．5 系统的重复定位精度  125
  6．3 微位移驱动系统的误差分析  125-127
  6．4 本章小结  127-128
第七章结论与展望  128-130
  7．1 结论  128-129
  7．2 进一步工作展望  129-130
参考文献  130-136
创新点摘要  136-137
致谢  137-138
攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况  138-140
附录  140

磁场与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器及其相关技术研究

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