基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計的製作方法
2023-10-29 10:02:22 1
基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計的製作方法
【專利摘要】本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，在結構設計方面，採用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構成閉合磁路，以其內磁場的均勻性且可以減少漏磁；對於驅動形式，採用了恆流源驅動，設計了高穩定度的壓控連續可調型雙向恆流源作為驅動器的輸入來提供驅動磁場；同時，採用基於磁感應強度的閉環控制系統，設計了基於DSP微處理器的高精度控制電路，採用霍爾傳感器對磁感應強度進行監測和閉環控制，以實現對輸出位移的控制。本發明的基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計不僅恆流源線性度良好，驅動系統精度較高，而且基於微位移驅動器的閉環控制系統具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
【專利說明】基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計
【技術領域】
[0001]本發明的技術方案設計了基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統，具體地說是根據該系統的實際工作特性對其兩部分:微位移驅動器和外圍電路進行了較好地設計。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，超精密加工技術的要求越來越高，這也增加了對微位移驅動和定位技術發展的要求。傳統的微位移驅動器的驅動材料多採用熱膨脹元件和壓電陶瓷，由於在這類材料中普遍存在伸縮應變量小、反應時間長、驅動結構複雜、易老化等問題，嚴重影響了驅動器工作範圍的擴大和控制精度的提高。超磁致伸縮材料(Tb0.27Dy0.73Fel.93)是一種新型的功能材料，磁致伸縮應變大、響應速度快、能量密度高等是該類材料的顯著特點，因其優異的性能、被廣泛應用於納米驅動器和傳感器等領域。
[0003]針對目前微位移驅動器普遍存在的問題，基於超磁致伸縮材料的伸縮係數大、機電耦合係數高、響應速度快、輸出功率大的優點，將超磁致伸縮材料引入到微位移驅動器中，充分發揮超磁致伸縮材料特性上的優點，研製出的超磁致伸縮微位移驅動器，將克服目前微位移驅動器由於工作機理的原因所普遍存在的一些缺點，在很多領域得到廣泛的應用。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:根據超磁致伸縮材料微位移驅動系統的實際工作特性，通過對其微位移驅動器和外圍電路兩部分進行較好地設計，使得該系統不僅恆流源線性度良好，驅動系統精度較高，而且基於微位移驅動器的閉環控制系統具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
[0005]本發明解決該技術問題所採用的技術方案是:基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，在結構設計方面，採用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構成閉合磁路，以其內磁場的均勻性且可以減少漏磁；對於驅動形式，採用了恆流源驅動，設計了高穩定度的壓控連續可調型雙向恆流源作為驅動器的輸入來提供驅動磁場；同時，採用基於磁感應強度的閉環控制系統，設計了基於DSP微處理器的高精度控制電路，採用霍爾傳感器對磁感應強度進行監測，進行閉環控制，以通過對磁感應強度的監測來實現對輸出位移的控制。
[0006]上述基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，所述的結構設計見附圖2，由柔性鉸鏈輸出機構、磁致伸縮棒、預緊機構、通電螺線管、外殼和永久磁鐵等組成閉合磁路，其中輸出機構、預緊機構、外殼採用導磁材料以防止漏磁，提高螺線管內磁場的均勻性，並且不會與外部的儀器和設備相互幹擾。
[0007]上述基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，所述的驅動形式見附圖3，採用了螺線管線圈作為驅動元件產生驅動磁場，永磁材料產生偏置磁場的驅動形式。永磁體材料的特點是矯頑力大，剩磁也大，磁滯回線所包圍的面積大，若將其製成磁體，經外磁場磁化，去掉磁化場後仍能對外保持磁場，即使在較大的反磁場下也仍保留較強的磁感應強度，傳統上永磁體材料指的是鋁鎳鈷和鐵氧體，但由於這些永磁材料的剩餘磁感應強度及矯頑力相對來說都比較小，因而在本磁場設計中採用銣鐵硼材料作為永磁鐵，產生偏置磁場。同時，永久磁鐵的使用也可以縮小驅動線圈的體積，使結構更加緊湊，進而縮小驅動器的結構，有利於系統在精密定位場合的應用。
[0008]上述基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，所述的基於磁感應強度的閉環控制系統見附圖4，通過電流控制系統來控制微位移驅動器中螺線管線圈中的電流來改變驅動磁場大小，從而控制驅動器的位移輸出。將輸出位移量和磁感應強度的測量值反饋到計算機中並進行實時的監測。同時，通過設計的高精度溫度傳感器監測驅動系統中的溫度，通過溫度控制系統將工作溫度儘量控制在恆溫狀態。此外，還設計了基於DSP微處理技術的控制電路，採用了低通濾波接口電路和多路高精度、快速Α/D和D/Α轉換器，通過RS-232串行口和USB通訊接口，實現與上位微機之間的數據交換或微機控制。在實際工作時，將整個實驗裝置置於防震平臺上，以防止周圍環境的幹擾。
[0009]本發明的有益效果是:①恆流源線性度良好，驅動系統精度較高；②基於微位移驅動器的閉環控制系統具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0011]圖1為本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統的總體設計示意圖。
[0012]圖2為本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統的結構設計圖。
[0013]圖3為本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統的驅動形式原理簡圖。
[0014]圖4為本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統的控制系統原理框圖。
【具體實施方式】
[0015]圖1所示實施例表明，本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，在結構設計方面，採用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構成閉合磁路，以其內磁場的均勻性且可以減少漏磁；對於驅動形式，採用了恆流源驅動，設計了高穩定度的壓控連續可調型雙向恆流源作為驅動器的輸入來提供驅動磁場；同時，採用基於磁感應強度的閉環控制系統，設計了基於DSP微處理器的高精度控制電路，採用霍爾傳感器對磁感應強度進行監測，進行閉環控制，以通過對磁感應強度的監測來實現對輸出位移的控制。
[0016]圖2所示實施例表明，本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，超磁致伸縮棒處在激勵線圈和偏置磁場產生的磁場中。當改變激勵線圈中的電流時，超磁致伸縮棒就會發生伸縮變形，產生位移輸出，所以通過控制超磁致伸縮微位移驅動器中線圈的電流值大小來改變線圈所產生的磁場大小，就可控制超磁致伸縮驅動器的輸出位移和力。其中由預緊機構向超磁致伸縮棒施加軸向預壓力，它可使棒內部磁疇在零磁場時儘可能地沿著與軸向應力垂直的方向排列；在外加激勵磁場作用下，可獲得較大的軸向磁致伸縮應變，從而增大位移輸出。另外，預壓力的大小對磁機耦合係數和場耦合係數也有一定影響，適當大小的預壓力可提高驅動器中電磁能向機械能的轉換效率。
[0017]圖3所示實施例表明，本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，在螺線管上下及四周用磁性材料構成閉合磁路，線圈中產生的磁通基本上都被約束在由磁性材料構成的磁路內，漏磁較小，磁路封閉性好，不僅提高了螺線管內磁場的均勻性，而且在勵磁電流相同的條件下，螺線管內磁場強度也有提高，更接近閉合迴路的磁場強度理論。此外將螺線管線圈長度設計成略大於超磁致伸縮棒的長度，使線圈在長度方向上涵蓋整個磁致伸縮棒，這樣可以改善棒中磁場的均勻度，避免邊端效應。此種驅動方式的優點是可方便地調節超磁致伸縮棒內驅動磁場的大小，並且磁路中的非線性元件少。
[0018]圖4所示實施例表明，本發明基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，控制系統主要由以下幾部分電路組成:
[0019](I)控制系統核心處理電路。控制電路是控制系統的核心部分，用來接收監測驅動器工作時的反饋信號進行數據處理並輸出以控制驅動器工作。
[0020](2)恆流源驅動電路。恆流源電路是本驅動系統的輸入部分，其輸出電流用來驅動線圈產生超磁致伸縮材料的工作磁場，超磁致伸縮微位移驅動器的工作離不開驅動電源，驅動電源是驅動系統研究中的關鍵。
[0021](3)溫控部分。溫控部分包括溫度檢測電路和溫度控制電路，是用來保障驅動系統的恆溫工作條件的，要求電路能夠使驅動器工作時溫度控制在要求範圍內。
[0022](4)磁場感知電路。這是磁感應強度監測的電路，通過監測磁場的大小來控制恆流源的輸出進而控制驅動磁場，實現基於磁感應強度的控制方法。
【權利要求】
1.基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，其特徵在於，在結構設計方面，採用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構成閉合磁路，以其內磁場的均勻性且可以減少漏磁；對於驅動形式，採用了恆流源驅動，設計了高穩定度的壓控連續可調型雙向恆流源作為驅動器的輸入來提供驅動磁場；同時，採用基於磁感應強度的閉環控制系統，設計了基於DSP微處理器的高精度控制電路，採用霍爾傳感器對磁感應強度進行監測，進行閉環控制，以通過對磁感應強度的監測來實現對輸出位移的控制。
2.根據權利要求1所述的基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，其特徵還在於，所述的結構設計由柔性鉸鏈輸出機構、磁致伸縮棒、預緊機構、通電螺線管、外殼和永久磁鐵等組成閉合磁路。
3.根據權利要求1所述的基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，其特徵還在於，所述的驅動形式採用了螺線管線圈作為驅動元件產生驅動磁場，永磁材料產生偏置磁場的驅動形式。
4.根據權利要求1所述的基於超磁致伸縮材料的微位移驅動系統設計，其特徵還在於，所述的基於磁感應強度的閉環控制系統，還設計了基於DSP微處理技術的控制電路，採用了低通濾波接口電路和多路高精度、快速Α/D和D/Α轉換器，通過RS-232串行口和USB通訊接口，實現與上位微機之間的數據交換或微機控制。
【文檔編號】H02N2/06GK104184361SQ201410468500
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】李勁松, 楊慶新, 閆榮格, 張獻, 李永建 申請人:河北工業大學