基于PWM技术的磁致伸缩机构控制系统设计

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《2024年度基于逆磁致伸缩效应的扭矩测量系统的研究与设计》范文

《基于逆磁致伸缩效应的扭矩测量系统的研究与设计》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展，对各种机械设备的精确测量和控制需求日益增长。

其中，扭矩测量作为评估机械设备性能的重要指标之一，其准确性和可靠性显得尤为重要。

逆磁致伸缩效应作为一种新型的物理效应，在扭矩测量领域具有广泛的应用前景。

本文旨在研究并设计一个基于逆磁致伸缩效应的扭矩测量系统，以提高扭矩测量的准确性和可靠性。

二、逆磁致伸缩效应概述逆磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下，磁性材料发生尺寸变化的现象。

这种效应具有高灵敏度、快速响应和非接触式测量的优点，因此在扭矩测量领域具有潜在的应用价值。

本文将利用这一效应，设计一个扭矩测量系统。

三、系统设计1. 系统架构本系统主要由磁性材料、磁场发生器、传感器、信号处理单元和上位机组成。

其中，磁性材料受到磁场作用后产生尺寸变化，磁场发生器用于产生稳定的磁场，传感器用于检测磁性材料的尺寸变化，信号处理单元对传感器信号进行处理，上位机用于显示和处理测量结果。

2. 关键部件设计（1）磁性材料选择：选择具有高磁致伸缩系数的磁性材料，如镍基合金等。

（2）磁场发生器设计：采用电磁铁或超导磁体产生稳定的磁场，确保磁场分布均匀且强度可调。

（3）传感器设计：选用高灵敏度的位移传感器，如光学传感器或电容传感器，用于检测磁性材料的尺寸变化。

（4）信号处理单元：对传感器信号进行放大、滤波和数字化处理，以提高测量精度和稳定性。

四、系统工作原理当外加磁场作用于磁性材料时，磁性材料发生尺寸变化。

这种尺寸变化被位移传感器检测并转换为电信号。

信号处理单元对电信号进行放大、滤波和数字化处理后，传输至上位机进行显示和处理。

通过分析上位机显示的测量结果，可以得出被测扭矩的大小和方向。

五、系统性能分析本系统具有高灵敏度、快速响应和非接触式测量的优点。

通过优化磁性材料的选择、磁场发生器的设计和传感器的性能，可以提高系统的测量精度和稳定性。

此外，本系统还具有结构简单、安装方便、使用成本低等优点，适用于各种机械设备的扭矩测量。

超磁致伸缩致动器功率驱动器设计

２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ｅｌｅｃｔｉｒｃｌ＆ＩａｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｅｉｈａｉ２４２６０９，Ｃｈｉｎａ）
ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｍｏｄｕｌａｉｒｚｅｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｍｏｄｅｌｐｉｒｎｃｉｐｌｅ
（１．山东大学机械工程学院，山东济南２５００６１；
２．山东大学机电与信息工程学院，山东威海２６４２０９）
摘要：针对超磁致伸缩致动器现有功率驱动器存在损耗大、发热大、效率低、功率小等不足，为满足超精密场合以及宽范围调整的要求，分析基于ＰＷＭ逆变器设计的超磁致伸缩致动器功率驱动
ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓｏｆｐｏｗｅｒｄｉｖｒｅｒｂａｓｅｄｏｎＰＷＭｉｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅａｃｔｕａｔｏｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｐｉｎｒｃｉｐｌｅ，ｅａｃｈｕｎｉｔｍｏｄｅｌｏｆｐｏｗｅｒｄｉｖｒｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｅｓ．ｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｆｔｅｒｅａｃｈｕｎｉｔｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｉｅｒｓ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｄｉｖｒｅｒｏｆｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅａｃｔｕａｔｏｒｗａｓｄｅ・ｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｔｓｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｌａｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆ

超磁致伸缩致动器的新型磁路设计与分析

超磁致伸缩致动器的新型磁路设计与分析超磁致伸缩致动器是一种应用于微型机械和精密仪器中的驱动器件，其依靠磁致伸缩效应来实现微小位移和力量的控制。

在超磁致伸缩致动器的设计中，磁路是至关重要的部分，它决定了器件的性能和效率。

目前，为了提高超磁致伸缩致动器的性能和效率，研究人员提出了一种新型磁路设计方案，并对其进行了分析。

新型磁路设计方案采用了精细的磁路设计方法，通过增加磁路的截面积和减小磁路的磁阻，从而获得了更高的磁场强度和更低的激磁电流。

具体来说，新型磁路设计方案采用了多层铁芯结构，其中每一层铁芯都具有一定的厚度和截面积，可以有效地增加磁路的截面积。

此外，新型磁路设计方案还采用了高导磁材料，如锰锌铁氧体等，可以降低磁路的磁阻，从而提高磁场强度。

为了验证新型磁路设计方案的有效性，研究人员进行了电磁场仿真分析。

结果显示，与传统的磁路设计方案相比，新型磁路设计方案具有更高的磁场强度和更低的激磁电流。

同时，新型磁路设计方案还能够实现更大的位移和力量控制范围，从而提高超磁致伸缩致动器的性能和效率。

总之，通过采用新型磁路设计方案，可以提高超磁致伸缩致动器的性能和效率，从而实现更精确的位移和力量控制。

未来，研究人员还可以进一步探索新型磁路设计方案的应用，以实现更广泛的微型机械和精密仪器的驱动需求。

为了进一步分析超磁致伸缩致动器的性能和效率，我们可以列出相关数据并进行分析。

以下是一些可能的参数和数据：1. 磁场强度：新型磁路设计方案的磁场强度可以达到3000高斯，比传统设计方案的磁场强度高出近一倍。

这意味着在相同的输入电流下，新型设计可以实现更大的位移和力量控制。

2. 激磁电流：新型磁路设计方案的激磁电流仅为0.5 A，比传统设计方案的激磁电流低了50%。

这意味着新型设计具有更低的能耗和更高的效率，可以通过减少浪费的电能来延长超磁致伸缩致动器的寿命。

3. 位移量：在输入电流为1 A时，新型磁路设计方案可以实现最大位移量为10微米，比传统设计方案的最大位移量高出两倍。

磁致伸缩作动器在空间结构主动控制中应用的理论研究

怎样最好地控制对象的知识做出解释和应用：（）模糊化接口用于将控制器的输入转换成一种信息，使推３
理机使用规则库中的规则产生模糊结论：（）反模糊化接口将模糊结论转换为确定实数输出。４
（）推理机（２也称模糊推理模块）模仿专家等人为的决策，对参考文献：【席爱民．１】模糊控制技术【．Ｍ】西安：电子科学大学出社，０西安版２８０［姚俊，２】马松辉．ｍｌｋＳｕｎ建模与仿真【．ｉｉＭ】西安：电子科学大学西安
所谓磁致伸缩效应，可定义为磁性体（金属Ｎ、Ｆ等）如ｉｅ由于其磁
化状态的改变而导致其在长度、体积或形状上发生相应变化的现象。料，利用其正效应可制作执行器（ＭＡ）Ｇ，利用其逆效应可制作传感
器。
的一个三层钢筋混凝土框架结构在模糊逻辑全态控制下进行了分析。
问题探讨
磁致伸缩作动器在空间结构主动控制中应用的理论研究
苗璐璐王社良
西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室西安７０５１５０
摘要：从磁致伸缩材料的定义及性能出发，介绍了磁致伸缩作动器的设计原理及结构模型，阐述并论证了其在模糊控制作用下应用于空间结构主动控制中的可行性。数值结果表明，采用这种方法对减小在地震作用下结构的加速度和位移起到较好的控制效果。
１０
，，
０；地震波采用４０ａＥｅ￣波，时间步长为０２。０ｇｌ１ｎｏＣ．ｓ０

超磁致伸缩直线电机的结构设计及控制系统研究

超磁致伸缩直线电机的结构设计及控制系统研究分类号: 密级:U D C:编号:学位论文超磁致伸缩直线电机的结构设计及控制系统的研究毛惠指导教师姓名: 王博文教授河北工业大学申请学位级别: 硕士学科、专业名称:电气工程论文提交日期: 2011年12月论文答辩日期: 2011 年 12 月学位授予单位:河北工业大学答辩委员会主席: 评阅人: 2011 年 12 月Thesis Submitted toHebei University of TechnologyforThe Master Degree of Electrical EngineeringSTRUCTURAL DESIGN AND RESEARCH ON CONTROLSYSTEM OF GIANT MAGNETOSTRICTIVEINCHWORM LINEAR MOTORbyMao HuiSupervisor: Prof. Wang BowenDecember 2011 河北工业大学硕士学位论文超磁致伸缩直线电机的结构设计及控制系统的研究摘要超磁致伸缩材料具有应变大、输出力大、位移分辨率高、响应速度快,能量密度高等优点,在精密光学工程、微机电系统、航空航天技术等尖端科技领域,显示出广阔的应用前景。

目前,利用超磁致伸缩材料制作的直线电机也逐渐成为国内外研究的热点,超磁致伸缩直线电机基于尺蠖运动原理,以超磁致伸缩致动器为核心元件。

本文以直线电机为研究目标,从结构设计、控制系统的分析、设计及相关测试几个方面进行研究。

本文介绍了超磁致伸缩现象及磁致伸缩材料的基本特性,阐述了尺蠖直线电机的国内外发展现状,总结了超磁致伸缩直线电机的类型、应用领域及发展现状。

在超磁致伸缩材料特性的基础上,完成了超磁致伸缩直线电机的核心部件---超磁致伸缩致动器的设计,主要包括超磁致伸缩棒的选型、线圈的设计、磁路的设计、预压力的设计等。

提出了超磁致伸缩直线电机的结构,并基于超磁致伸缩材料特性,建立了电机输出位移的数学模型。

磁致伸缩执行器的设计与试制

第２５卷第５期２０２０年１０月新　余　学　院　学　报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩＮＹＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＶｏｌ．２５，ＮＯ．５Ｏｃｔ．２０２０磁致伸缩执行器的设计与试制●祝志芳ａ，ｂ，高震东ｂ，霍景润ｂ，蔡　畅ｂ，卢全国ａ，ｂ（南昌工程学院　ａ．江西省精密驱动与控制重点实验室；ｂ．机械与电气工程学院，　江西　南昌　３３００９９櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆）摘　要：磁致伸缩材料因在驱动过程中具有驱动力大、响应时间快、性能输出稳定等优点，常作为执行器的驱动元件。

以磁致伸缩材料为驱动源开展执行器的设计与样机试制，其主要包括驱动元件设计、磁路设计及执行器结构设计的研究，并对磁路进行了仿真分析，最后根据设计参数完成了物理样机的加工和装配，为磁致伸缩执行器的设计提供了参考。

关键词：磁致伸缩；执行器；结构设计；样机试制中图分类号：ＴＭ２７　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５－３０５４（２０２０）櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆０５－００２０－０５收稿日期：２０２０－０６－１２基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目“考虑各向异性的磁致伸缩合金Ｇａｌｆｅｎｏｌ动力学建模与应用研究”（ＧＪＪ１６１１２４）。

作者简介：祝志芳（１９８４－），男，江西临川人，副教授，博士，主要从事微纳驱动与器件设计研究。

磁致伸缩执行器（ＧＭＡ）优点是整体体积较小、驱动力大、响应时间快、性能输出稳定等，这些优点是传统的技术无法达到的［１－２］。

由于磁致伸缩材料的优点，超磁致伸缩材料（ＧＭＭ）材料在ＧＭＡ直线电机、精密机床、振动主动控制等方面得到了越来越多的应用。

国内外学者在该领域进行了相关研究并取得了一些成果。

ＡｎｊｎａＰａＰａＭ［３］等人将磁致伸缩执行器应用到了振动主动控制领域中，首次提出了主动振动控制的数学模型；ＯｈｍａｔａＫ［４］等人设计研发了磁致伸缩连杆臂装置，其作用是用来作为振动控制装置减弱自然环境下产生的振动。

磁致伸缩换能器驱动电路设计

磁致伸缩换能器驱动电路设计文章针对磁致伸缩换能器和工业管道结垢的特点，研制了磁致伸缩换能器驱动电路设计。

文章提出的系统由电源电路、STM32信号发生电路、IGBT驱动电路及逆变电路组成。

磁致伸缩换能器和文章设计的驱动电路组成的系统在实际工业现场中，取得了良好的除垢效果。

标签：PWM；IGBT驱动；半桥逆变1 磁致伸缩换能器的应用背景磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料及线圈组成的。

磁致伸缩材料是一种新型功能材料，具有比压电材料高数十至数百倍的磁致伸缩应变值，并且有输出功率大、微秒量级响应速度、工作频带宽等优异特性，因而广泛地应用于电子机械、办公自动化装置、仪器仪表、减振降噪系统等领域。

用磁致伸缩材料制成的换能器具有以下优点：（1）具有较高的能量转化效率，在静磁场下，磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变是镍的30倍或PZT（压电换能器）的3-5倍，在谐振的情况下，比静态应变还要高出数倍；（2）具有非常快的响应速度，磁致伸缩材料响应时间小于1μs，器件的响应时间主要取决于驱动电路信号的频率，约为10μs左右；（3）具有性能稳定特性，一般说来磁致伸缩材料的居里温度较高，不会出现高温极化现象，而且使用磁致伸缩材料制作的换能器可以在较低电压下工作，不容易出现PZT换能器的高压击穿故障；（4）具有宽频带响应特性，工作频率范围可以从几十赫兹到几十千赫兹。

由于磁致伸缩换能器具有以上特点，因此在工业管道除垢领域得到了广泛应用。

在国外磁致伸缩换能器驱动电路比较成熟，特别是俄罗斯、日本及欧美已经广泛应用于工业除垢领域，现阶段国内磁致伸缩换能器驱动电路主要存在功率小，频率固定不可调等问题。

文章设计的驱动电路解决了功率小，频率不可调等问题，与磁致伸缩换能器组成了工业管道除垢装置具有无污染、不需要拆卸、操作方便简单、可在线工作等优点，具有广泛的应用前景。

2 磁致伸缩换能器的驱动电路设计2.1 STM32信号产生电路文章驱动IGBT（绝缘栅型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）的信号是由STM32f103zet6来完成的，STM32f103zet6是意法半导体公司生产的一款32位单片机，该芯片具有精度高，成本低廉，功耗小，性价比高，可以高达512K 的数据存储能力，A/D转换速度更快更精确等优点。

磁致伸缩驱动器的结构设计与输出特性研究

磁致伸缩驱动器的结构设计与输出特性研究王博文;崔晓静;李亚芳;邹尊强;黄文美【摘要】基于Fe-Ga磁致伸缩材料,设计了一种新型结构的磁致伸缩驱动器.基于材料的磁化模型,应用有限元软件和模态分析技术研究了驱动器的输出特性.研究发现,当对驱动器的2个驱动线圈通入反向电流时,驱动器在径向的谐振频率为1 000 Hz,在谐振频率处的径向输出位移为52μm,轴向输出位移为1.7 μm.对磁致伸缩驱动器的2个驱动线圈施加同向电流时,驱动器在轴向的谐振频率为7 808 Hz,在谐振频率处的轴向输出位移为14 μm.通过实验研究了磁致伸缩驱动器的输出特性,结果表明实验与仿真计算结果基本一致,证明研制的驱动器具有实用价值.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2016(045)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】磁致伸缩;结构设计;谐振频率;输出特性【作者】王博文;崔晓静;李亚芳;邹尊强;黄文美【作者单位】河北工业大学电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TP215磁致伸缩驱动器广泛应用于超精密加工、机器人、减振降噪等领域，受到许多国家与地区的重视，并在致动器的理论模型[1-3]、振动控制[4-6]、动静态特性[7-8]等方面取得了重要进展．文献 [9]设计了一种磁致伸缩驱动器使之适用于高频场合，并通过仿真分析确定结构中的重要参数．文献 [10]针对设计的超磁致伸缩驱动器进行了实验研究，分析了具有偏置磁场和无偏置磁场时交流输入电流频率与位移输出特性之间的变化关系．文献 [11]设计了一种弓张式磁致伸缩驱动器，提高了驱动器的作动行程．目前，研制的驱动器由单个磁致伸缩棒驱动，可在驱动器输出端输出轴向位移，而在驱动器输出端不能输出径向位移，限制了驱动器的应用．为了在驱动器输出端同时输出轴向和径向位移，Guo等[12]利用铁钴合金设计了由4个磁致伸缩棒构成的驱动器，该驱动器在6 800Hz达到谐振频率，径向输出位移可以达到40m．然而，驱动器采用4根磁致伸缩棒结构，每根磁致伸缩棒缠有1个线圈，结构复杂，谐振频率偏高，容易发热，降低了驱动器的可靠性与实用性．基于Fe-Ga磁致伸缩材料的特性，设计了一种由2个磁致伸缩棒构成的驱动器，在驱动器输出端可以实现同时输出径向和轴向位移．设计的驱动器结构简单，工作谐振频率较低，具有实用价值．1.1 驱动器的结构设计磁致伸缩驱动器的结构如图1所示，驱动器由2个Fe-Ga材料的磁致伸缩元件、驱动线圈、磁轭、底座、输出杆、打磨头等组成．在2个相同尺寸的磁致伸缩元件上缠绕驱动线圈，根据磁致伸缩效应，当磁致伸缩元件置于磁场中时，磁致伸缩元件可以伸长一定长度．通过控制线圈中通入的电流大小就可以分别控制两元件的伸长或缩短，磁致伸缩元件带动顶杆一起运动使致动器产生机械振动，实现位移和力的输出，使电磁能转化为机械能．在高频驱动下为减少涡流损耗，磁致伸缩元件与磁轭需做切片处理．为防止两磁致伸缩元件中产生的磁通相互影响，两棒之间加入了磁导率高的硅钢片用于导磁．当驱动线圈施加同向电流时，两元件同时伸长或缩短，驱动器产生轴向输出；当施加反向电流时，两元件分别与中间磁轭形成闭合磁路，使两磁致伸缩棒的运动状态相反，产生径向输出位移．此驱动器可以产生较大的输出力推动输出杆运动，输出杆顶部可以与被加工器件有较大的接触面积，有效的加工打磨器件．驱动器的导磁体可以为磁致伸缩元件施加一定的预应力，替代预应力机构．与传统的单棒型磁致伸缩驱动器[13-14]及压电驱动器[15-16]相比，两磁致伸缩元件与磁轭之间可以形成封闭磁路，无需另加导磁体，使得驱动器散热能力强，在不施加冷却装置的条件下温度升高不大，简化了驱动器的结构．1.2 驱动器的工作原理磁致伸缩元件在线圈产生的磁场的作用下将产生伸缩变化．设2个驱动线圈产生的磁通分别为A和B，对应的磁致伸缩元件分别为A和B．磁致伸缩元件A的驱动线圈产生的磁通量A被分为2部分：一部分流过磁致伸缩元件B，另一部分流过中间的磁轭，由于中间磁轭的磁导率大于磁致伸缩元件，通过磁轭的磁通量大于磁致伸缩元件的磁通量．同理，磁致伸缩元件B的驱动线圈产生的磁通量B也分为2部分．当两线圈施加同向电流时，2个磁致伸缩元件的磁通量会有所减弱，中间磁轭的磁通量增强．在驱动线圈磁场的作用下，磁致伸缩元件A和元件B都要产生伸长变形，导致磁致伸缩驱动器产生轴向运动．磁致伸缩驱动器的轴向位移由元件的磁致伸缩、驱动磁场和工作频率决定．当两线圈施加反向电流时，2个磁致伸缩元件的磁通量有所增加，在中间磁轭中产生的磁通量将明显减弱．如2个线圈通入的电流分别为式中：I为偏置电流；i为交流驱动电流；2个线圈中的电流相位相差180°．在驱动线圈磁场的作用下，磁致伸缩元件A产生伸长变形时，磁致伸缩元件B产生缩短变形，磁致伸缩致动器的打磨头将同时产生径向和轴向运动．为分析磁致伸缩驱动器的输出特性，首先基于材料的磁化模型计算磁化强度M与磁场的关系，进而确定Fe-Ga材料的磁感应强度B与磁场H之间关系；然后基于磁感应强度B与磁场H之间关系，利用有限元软件COMSOL分析驱动器的磁场，进一步优化驱动器的结构；最后基于模态分析技术确定驱动器的谐振频率，进而确定驱动器的输出位移与频率之间的关系．2.1 Fe-Ga材料的磁化模型在易磁化轴附近的吉布斯自由能可以表示为[17]其中：k，k0为磁晶各项异性能常数，mk为取向为k的磁畴的磁化强度．为求解磁化轴方向k，需对式 (3)求极值，其中k为方向向量，即；利用拉格朗日乘数法对方程 (3)求极值，增加约束条件，构造的拉格朗日乘数方程为在计算时由于远离 k的粒子对于计算结果的影响非常小，可以将约束条件改为，方程 (6)对k求导，并令倒数等于0得到将式 (8)代入改进的约束条件中得整理得，代入(8)式得材料的磁化强度可以表示成各个方向磁化强度、应变与体积系数进行权重后的线性叠加．则其中：k表示具有朝向k的磁畴的体积比系数，其可表示为[18]，式中为Armstrong平滑系数．可以应用式 (11)计算Fe-Ga材料的磁化程度M与磁场的关系，进而确定Fe-Ga材料的磁感应强度B与磁场H之间关系．2.2 驱动器磁路分析磁致伸缩驱动器的静态磁路分析是研究动态特性的基础[19]．图2为驱动线圈施加同向电流与反向电流时的磁通密度分布图．图中颜色越浅代表磁通密度越大，箭头方向代表磁通流向．由图2a）看出，当线圈施加同向电流时，2个磁致伸缩元件分别与中间磁轭形成闭合磁路，磁轭的磁通密度与磁致伸缩棒中的磁通密度相差不大；由图2b）看出当驱动线圈施加反向电流时，两线圈产生的磁通在中间磁轭中明显减弱，磁致伸缩元件的磁通明显增强．仿真分析结果与前面分析是一致的．图3与图4分别为线圈施加同向电流与反向电流时磁致伸缩棒轴向的磁通密度分布．可以看出，施加反向电流时磁致伸缩棒上的磁通比施加同向电流时的磁通增大，这是由于通入反向电流时，磁致伸缩元件A在元件B中产生的磁场与元件B自身产生的磁场方向相同，两者互相叠加的结果．表明设计的磁致伸缩驱动器的磁场分布合理，在驱动器的输出端可以实现同时输出径向和轴向位移．2.3 驱动器的模态分析设计磁致伸缩驱动器，需要分析驱动器的固有频率，使驱动器在谐振频率附近工作，以获得最大的输出振幅和工作效率[20]．基于模态分析技术，采用有限元软件COMSOL分析了驱动器的前四阶模态振型，结果如图5所示．驱动器的前四阶固有频率分别为850Hz，1 000Hz，3 086Hz，7 808Hz，可以看出，驱动器的一、二阶模态为径向变形，三阶模态为扭转变形，四阶模态为轴向变形．颜色越深表示输出位移值越大，因此致动器底部输出位移为0，顶部输出位移值最大．考虑驱动器的结构，驱动器工作在二阶固有频率处，驱动器将同时在轴向与径向输出位移．2.4 磁致伸缩驱动器的输出特性当驱动器的2个驱动线圈通入反向电流时，驱动器的径向输出位移与驱动电流频率（0～2 000 Hz）的关系如图6所示．可以看出驱动器的径向输出位移在1000Hz频率处出现谐振峰值，达52m．驱动器轴向输出位移随频率的变化关系如图7所示．在1000Hz频率处，致动器轴向输出位移为1.7m．图6和图7的结果表明，在频率为1 000 Hz时，研制的驱动器通入反向电流时同时输出较大的径向位移和较小的轴向位移，设计驱动器可以用于零部件的精密加工等领域．当驱动器的2个驱动线圈通入同向电流时，驱动器只能输出轴向位移．输出的轴向位移与驱动电流频率（7 000～9 000 Hz）的关系如图8所示．由图8可以看出，在频率为7 808Hz时，驱动器轴向输出位移出现谐振峰值，为14m．此时，驱动器可以应用于高频激振器等领域．设计并搭建了实验系统，研究了磁致伸缩驱动器的输出特性．实验系统由数字直流电源、交流电源、固定卡具、电容式位移传感器、示波器等组成．实验过程中，首先将驱动器的输出杆与电容式位移传感器探头定位，并调节到一定的电压值，稳定30 m in．然后接通电源，给驱动器的驱动线圈通入反向电流，使驱动器的2个磁致伸缩元件产生反向运动，测试驱动器的径向输出位移．取偏置电流Idc=0.8 A，交变驱动电流峰值Iac=0.7 A，在谐振频率附近改变交流驱动电流的频率，记录示波器上显示的电压，求出电压对应的位移值．图9为偏置电流Idc=0.8 A、交变驱动电流峰值Iac=0.7 A条件下得到的驱动器径向输出位移与频率的关系．由图9可见，当频率达到830 Hz时输出位移达到最大值，为50m．比较实验结果与图6的仿真结果可知，实验与仿真结果都存在一个谐振峰，输出位移最大值基本一致．仿真分析与实验表明，设计、研制的驱动器可以同时实现轴向和径向位移输出，对工件进行精密加工，具有实际应用价值．但仿真结果的谐振频率高于实验结果的谐振频率，这可能是仿真计算时忽略了致动器自重、线圈重量等的原因．设计了一种新型结构的磁致伸缩驱动器．当对驱动线圈施加反向电流时，2个磁致伸缩元件分别与中间磁轭形成闭合磁路，同时输出径向与轴向位移．通过磁化模型、模态分析与输出特性分析发现，驱动器谐振频率为1 000 Hz，径向与轴向的输出位移分别为52m和1.7m．实验研究表明驱动器谐振频率为830 Hz，径向输出位移为50m．实验与仿真结果基本一致，证明研制的致动器可以实现轴向和径向位移输出，具有实用价值，可应用于工件的精密加工等领域．当2个驱动线圈施加同向电流时，2个磁致伸缩元件同时伸长或缩短，驱动器可输出轴向位移，在谐振频率7 808Hz处，轴向输出位移为14m，可应用高于频激振器等领域．【相关文献】[1]黄文美，薛胤龙，王莉，等．考虑动态损耗的超磁致伸缩换能器的多场耦合模型 [J]．电工技术学报，2016，31（7）：173-178．[2]黄文美，王博文，曹淑瑛，等．计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型[J]．中国电机工程学报，2005，25（16）：132-136．[3]Zhi Li，Chunyi Su，Tianyou Chai．Compensation of hysteresis nonlinearity in magnetostrictive actuators with inverse multiplicative structure for preisachmodel[J]．IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2014，11（2）：613-619．[4]Yuchuan Zhu，Liang Ji．Theoretical and experimental investigations of the temperature and thermal deformation of a giant magnetostrictive actuator [J]．Sensors and Actuators A，2014，218：167-178．[5]Ting Zhang，Bin Tang Yang，Hong Guang Li，et al．Dynamic modeling and adaptive vibration control study for giant magnetostrictive actuators [J]．Sensors and Actuators A，2013，190：96-105．[6]Ghorbanpour Arani A，Khoddami Maraghi Z．A feedback control system for vibration of magnetostrictive plate subjected to follower force using sinusoidal shear deformation theory[J]．Ain Shams Engineering Journal，2016，7（1）：361-369．[7]Guangming Xue，Zhongbo He，Dongwei Li，et al．Analysis of the giant magnetostrictive actuator with strong bias magnetic field[J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2015，394：416-421．[8]Lovisolo A，Roccato P E，Zucca M．Analysis of a magnetostrictive actuator equipped for the electromagnetic and mechanical dynamic characterization [J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（20）：915-919．[9]Karunanidhi S，Singaperumal M．Design，analysis and simulation of magnetostrictive actuator and its application to high dynamic servo valve[J]．Sensors and Actuators A，2010，157（2）：185-197．[10]孙英，王博文，翁玲，等．磁致伸缩致动器的输出位移与输入电流频率关系实验研究 [J]．电工技术学报，2008，23（3）：8-13．[11]李冬伟，杨朝舒，薛光明．弓张式超磁致伸缩材料换能器的设计与分析[J]．强激光与粒子束，2016，28（6）：1-6．[12]Jiang Guo，Hirofumi Suzuki，Shin-ya Morita．A real-time polishing force control system for ultraprecision finishing ofmicro-optics[J]．Precision Engineering，2013（37）：787-792．[13]Huang Wenmei，Song Guiying，Sun Ying，et al．Numerical dynamic strong coupled model of linear magnetostrictive actuators[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2012，48（2）：391-394．[14]García-Miquel H，Barreraa D，Amat R，et al．Magnetic actuator based on giant magnetostrictive material Terfenol-D with strain and temperature monitoring using FBG optical sensor[J]．Measurement，2016，80：201-206．[15]李东明，崔爽，丛琳皓，等．超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率[J]．光学精密工程，2014，22（9）：2423-2430．[16]Guo Mingsen，Dong Shuxiang，Ren Bo，et al．A piezoelectric single-crystal ultrasonic microactuator for driving optics[J]．IEEE Transactions on Ultrasonics，ferroelectrics，and frequency control，2011，58（12）：2737-2742．[17]Tari H，Scheidler JJ，Dapino M J．Robust solution procedure for the discrete energy-averaged model on the calculation of3D hysteretic magnetization and magnetostrictionof iron-gallium alloys[J]．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2015，384：266-275．[18]Evans P G，Dapino M J．Efficient magnetic hysteresis model for field and stress application in magnetostrictive Galfenol[J]．Journal of applied physics，2010，107：063906．[19]王淑娟，康磊，李智超，等．电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计 [J]．中国电机工程学报，2009，29（30）：123-128．[20]Braghin F，Cinquemani S，Resta F．A model of magnetostrictive actuators for active vibration control[J]．Sensors and Actuators A，2011，165：342-350．。

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收稿日期：０５— ７—１２００３
精度调节难度高，同时忽略了多个伸缩机构同时工作的脉冲使能控制，对于二维可调步距系统来说是个很大的弊端。本设计采用了一种ＰＷＭ（ｕｅｗｄｏｕｔｎｐｌｉｈｍｄｌｉ，ｓｔａｏ脉宽调制）脉冲信号驱动控制磁致伸缩机构的控制方法。将ＰＣ８６２Ｉ１Ｆ６０单片机的５路ＰＷＭ信号输出通过功率驱动放大器件驱动５路ＭＳＥＯＦＴ开关管，为作机构的脉冲信号。结合模糊控制理论，采用调节ＰＷＭ占空比的方法调节电流，而调节伸缩机构的步距。从使用高精度激光位置传感器检测机构，提高了整个系统对步距的测量精度。
ＤｅｉｎｏｎｒｌＳｓｅｏａｎｔｓｒｃｉｅＭｉｒ－ｓｌｃｍｅｔｓｇｆＣｏｔｏｙｔｍｆＭｇｅｏｔｉｔｃｏＤｉｐａｅｎｖＡｃｕｔｒＢａｅｎＰＭｃｎｑｅｔａｏｓｄｏＷＴｅｈｉｕ
脉冲驱动控制系统。通过调节ＰＷＭ波形的占空比，调节绕组电流大小，而改变位移机构的步距。结从合模糊控制理论，渐减小步距逼近目标。经过实验验证，设计的微位移机构控制系统在试验平台上逐本
可以快速准确地完成行走过程。
关键词：致伸缩；宽调制；磁脉占空比中图分类号：Ｍ７．Ｔ５１２文献标识码：Ａ文章编号：００— ８９２０）３— ０９— ３１０８２（０６００４０
ｔｇｔｅＰｕｙｌ，ｅｉｄｎｕｒｎｈｎｅｎｅｐｃｎｔｉａｊｓｄＦｚｙｌｇｏｔｌｓｉＷＭｄｔｃｃｔｎｉｃｒｔｓａｇｄａｄｔａｅｌｇｄｕｔ．ｕｚｉｃｎｏｉｎｈｙｅｈｗｇｅｉｃｈｅｈｓｅｏｃｒａａｔｅｓｓｍｔｒｄｃｅｐｃｎｈｔａｐｏｃｅｃｎｏｏｊｔｅＴｅｅｐｒｎａｒｓｌｓｏｓｄｐｅｉｔｙｔｕｅｔａｅｌｇｐｒａｈｔｏｔｌｂｅｉ．ｈｘｅｉｔｌｅｕｔｈｗｄｎｈｅｏｅｈｅｔｏｈｒｃｖｍｅ
Ｇｈ－ｎ，Ｌｈｎ－ｎＵＧｎ，ＴＯＨａＡＯＳｉａｇＩＳｅｇｉ，ＬａｇＡｕｆｊ
（ｏｌｅｏＡｔｍｔｎＮｒｗｓｒｏｔｃｎｃｌｎｖｒｔ，ｉａ１０２Ｃｉ）Ｃｌｇｆｕｏａｏ，ｏｔｅｔｎＰｌｅｈｉａＵｉｓｙＸ’ｎ７０７，ｈｎｅｉｈｅｙｅｉａ
随着科学技术的发展，微米级的微位移技术在光学、电子、航天、航空、机械制造、机器人、地震、生物及遗传工程领域的应用需求迫切，如生物医学工程中的对于细胞的合成和研究、机器人的精微操作。按照形成微位移的原理，微位移机构可以分成两大类：机械式和机电式… 。机械式微位移机构中存在机构间隙、摩擦磨损，运动灵敏度和精度很难达到微米级。机电式控制方法精度高，但是微位移机构的发热现象比较严重，采用这种方法时应当考虑小体积机构的散热。铁磁材料在磁场中磁化时，会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短，这一现象称为磁致伸缩现象。本研究的机电式磁致伸缩微位移机构，利用电磁材料的磁致伸缩现象实现微位移。以往的电子控制方式采用恒流源作为磁致伸缩机构的脉冲信号源。虽然恒流源电流稳定，机构发热小，但若要输出电流大小可调，控制方法复杂，机构的位移步距不易调节、高
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基于ＰＷＭ技术的磁致伸缩机构控制系缩机构控制系统设计
高时芳，李声晋，芦刚，陶华
７０７）１０２（西北工业大学自动化学院，陕西西安
摘要：究微米级磁致伸缩微位移机构的控制技术，计并实现了一个二维平面行走伸缩机构的Ｐ研设ＷＭ
ｔａｈｃｏｄｓｌｃｍｅｔａｔａｏｅｃｓａｃｒｔｌｎａｉｌｎｅｈｒｐｓｄｃｎｒｌｓｓｅｈｔｔｅｍｉｒ— ｉｐａｅｎｃｕｔｒａｔｃｕａｅｙａｄｒｐｄｙｕｄｒｔｅｐｏｅｏｔｙｔｍ．ｒｏｏ
ＫｅｒｓｍａｎｔｓｒｔｅＰＭ；ｕｙｃｃｅｙｗｏｄ：ｇｅｏｔｃｉ；Ｗｉｖｄｔｙｌ
ＡｂｔａｔＴｅｃｎｒｌｍｅｈｎｓｏｇｅｏｔｃｉｅｍｉｒ — ｉｌｃｍｅｔａｔａｏｓｉｖｓｇｔｄＡＰＭ— ａｅｓｒｃ：ｈｏｔｃａｉｏｍｆｍａｎｔｓｒｔｃｏｄｓａｅｎｃｕｔｒｉｎｅｔａｅ．Ｗｉｖｐｉｂｓｄｓｓｅｔｏｔｌｃ－ｉｌｃｍｅｔｃｕｔｒｏｏｄｍｅｓｏｓｉｄｓｇｅｎｍｐｅｎｅ．ｈｕｈｒｇｌ— ｙｔｍｏｃｎｒｍｉｒｄｓａｅｎｔａｏｆｗｉｎｉｎｓｅｉｎｄａｄｉｌｍｅｔｄＴｒｇｅｕａｏａｏｐａｔｏ