CN102620031A - 一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器，涉及超磁致伸缩材料自传感技术以及微驱动技术，属于微驱动与电气控制技术领域。本发明利用超磁致伸缩棒的磁致伸缩与逆磁致伸缩效应来实现驱动器的驱动与自传感功能，通过碟簧(16)对称置于连接件(17)两侧的两自传感驱动组件相互耦合输出一定的位移和驱动力，通过对超磁致伸缩棒预压力的精确控制与微量调节，保证其工作在线性区间，通过具有自传感检测反馈功能的双输出数控电源对两驱动线圈施加稳定的差动电压，并通过基于DSP高速单片机的实时动态平衡信号分离法对自传感信号进行实时监测，实现对连接件(17)位移的实时控制和精确定位，特别适合应用于液压伺服控制领域。

Description

一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器
技术领域
本发明涉及超磁致伸缩材料应用技术与微驱动技术，属于微驱动与电气控制技术领域，可用于精密的位移、速度、加速度和力的液压伺服控制系统，是一种集驱动与传感检测功能于一体的新型控制元件，具有很高的动态响应性能，特别适合应用于水下作业与深海探测领域。
背景技术
在液压伺服控制领域，传统电磁力矩马达结构复杂、体积重量大、工作频宽窄、能量密度小、分辨率低、抗干扰能力差，难以满足现代工业对液压伺服控制系统的要求，应用受到很大限制。随着液压伺服阀向高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰方向发展，传统的电液伺服阀很难满足要求，并随着先进制造技术、现代设计技术和微电子技术的发展以及新型功能材料的应用，研究和开发具有新型驱动技术、新型驱动结构和具有高频响应的液压伺服阀已成为伺服控制技术发展的重要方向。以新型功能材料为基础的新型驱动器技术和以创新结构设计为基础的新型驱动结构，奠定了现代液压伺服控制技术发展的基础。其中，以新型功能材料为基础的电液伺服驱动及控制技术是目前提高液压伺服控制整体性能的主要技术手段，也是当前研究的热点和焦点。
稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostriction Material，简称GMM)TbxDy1-xFe2-y(商品名为Terfenol-D)的磁致伸缩应变是传统的镍基和铁基磁致伸缩材料的几十到上百倍，是近年刚发展起来的一种新型智能材料，在电磁场和压应力作用下，能产生较大的体积或长度变化，在低频(5Hz～30kHz)、大行程、低压驱动、大功率、大承载、可非接触式测量与控制等方面具有更优良的特性，被广泛用于制作驱动器。同时，超磁致伸缩材料还具有压磁效应-逆磁致伸缩效应，即在外力作用下材料的磁化状态(磁化强度)发生变化，可以做成传感器。将传感和驱动功能通过计算机有机的结合起来，就形成智能结构或智能系统，可以感知力、位移、振动、声、磁等参量，进而根据需要作出响应，可制成同时具有传感和驱动功能于一体的自传感驱动器(self-sensing actuator，SSA)，以达到无传感器闭环控制和同位控制、提高系统响应速度和控制精度、增强系统可靠性、简化系统和降低成本等目的，是目前智能材料和结构领域致力发展的一个新方向，已引起人们的广泛重视。
发明内容
本发明的目的是针对传统电液伺服阀中电磁力矩马达存在的缺陷，利用超磁致伸缩材料集传感与驱动功能于一体的特性，提出的一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器新型结构及控制方法。
本发明所提出的双相对置超磁致伸缩自传感驱动新型结构，包括超磁致伸缩自传感驱动器与具有自传感信号检测反馈功能的双输出数控电源。其中的超磁致伸缩自传感驱动器由U型底座1、输出组件、2个相互耦合的超磁致伸缩自传感驱动组件和预压力锁紧微调装置组成。其中的输出组件由大卡环2、支撑销3、密封套4、小卡环5、连接件17、驱动杆18组成。超磁致伸缩自传感驱动组件由超磁致伸缩棒13、导磁片14、线圈骨架15、碟簧16、推杆19、驱动线圈20组成。预压力锁紧微调装置由弹簧6、顶杆7、斜锲卡片8、凸台密封螺钉9、调节螺钉10、螺纹轴11、封口螺帽12组成。
超磁致伸缩自传感驱动器通过推杆19、碟簧16对称置于连接件17的两侧，并通过输出组件形成双相对置超磁致伸缩自传感驱动器的耦合输出结构，两个超磁致伸缩自传感驱动组件对称安装于U型底座1内，靠U型底座1外侧挡板与内侧凸台卡紧，U型底座1的内部为弧形结构，其直径大小与线圈骨架15相同，驱动线圈20通直流电产生驱动磁场驱动超磁致伸缩棒13伸长，超磁致伸缩棒13置于线圈骨架15空心部分，两端分别连接导磁片14，直径略小于线圈骨架15空心部分的内径，线圈骨架15外绕有驱动线圈20，线圈骨架15和驱动线圈20固定于U型底座1内；超磁致伸缩棒13一侧通过导磁片14与推杆19相连，推杆19通过碟簧16对称的作用于连接件17，连接件17位于U型底座1的中间位置，连接件17与驱动杆18相连，并通过支撑销3形成杠杆机构，同时，密封套4下端与U型底座1成过盈配合，并用大卡环2拧紧，密封套4上端与驱动杆18成过盈配合，并用小卡环5拧紧，超磁致伸缩棒13另一侧与预压力锁紧微调装置相连接，为超磁致伸缩棒13提供预压力。
超磁致伸缩棒13外侧连接导磁片14，而导磁片14外侧与预压力锁紧微调装置连接，即导磁片14外侧连接顶杆7，而顶杆7与斜锲卡片8的斜面接触，斜锲卡片8上端与调节螺钉10接触，调节螺钉10上端与封口螺帽12下端同样通过螺纹与U型底座1相连接。
具有自传感信号检测功能的双输出数控电源包括双输出差动电源电路、DSP信号分离反馈电路两部分，其中差动电源电路由MCU、D/A转换电路、光电隔离电路、输出级功率放大电路组成，MCU(80C51)的数据总线P0.0～P0.1口与总线驱动器U6和U4的数据输入端口D0～D7相连，U6(74HC573)与U4(74HC573)的锁存使能引脚分别与MCU的P2.0和P2.1相接，U4和U6的输出引脚Q0～Q7分别与数模转换器U2(DAC0832)和U3(DAC0832)的数据输入引脚DI0～DI7相接，U2与U3的写使能引脚WR1与MCU的P2.3脚连接，写使能引脚WR2接地，片选信号CS与MCU的P2.2脚相连；两片数模转换器的输出引脚OUT1和OUT2分别与运算放大器U7、U8的反相输入端和同相输入端连接构成完整的DA转换电路，运算放大器的输出端电压V1、V2即为数字量转换后的模拟电压值，DA转换后模拟电压V1、V2经光电隔离电路输入到功率放大电路进行放大后驱动电磁线圈，其中电压V1经电阻R17(1KΩ)后与运算放大器U9的同相输入端、光电耦合器U11(HCNR200)的管脚3相连，U11的管脚2与运算放大器U9的输出端相连，U11的输出端5与运算放大器U13的同相输入端、电阻R18(1KΩ)相连，U13的输出端与反相输入端连接构成电压跟随器，运算放大器U10、U14与光电耦合器U12构成对电压V2进行隔离的隔离电路，电压Vo1、Vo2分别为电压V1、V2经过隔离后的输出电压，电压Vo1经过由电阻R310(1KΩ)、电阻R36(1KΩ)和运算放大器U15构成的电压跟随电路后输入由运算放大器U17、U19，功率三极管Q1(BD711)、Q2(BD711)，电阻R38(100Ω)、R34(1KΩ)构成的功率放大电路，之后输出电压Vout1，其中运算放大器U19的反相输入端与输出端相连构成电压跟随器，将采样电阻R34两端的电压反馈到运算放大器U17的反相输出端，以此形成功率放大电路的负反馈结构。而电压Vo2经过由运算放大器U18、U20，功率三极管Q3(BD711)、Q4(BD711)，电阻R114(100Ω)、R113(1KΩ)构成的功率放大电路进行放大，之后输出电压Vout2。
自传感信号分离反馈电路主要由信号放大器、乘法器(U21)、减法器三个部分组成，输入电压Vs1经过运算放大器U22与电阻R1B、R1A、R21构成同相比例放大电路，对其幅值进行调整，防止乘法器U1溢出，调整后的输出电压输入乘法器(U21)的x1输入端，与输入y1端的电压V做乘法运算，乘法器(U21)的输入端x2和y2接地，运算结果由w引脚输出，输出电压经过运算放大器U23与电阻R3B、R3A、R6构成同相比例放大电路后输入由运算放大器U25和电阻R4、R34、R35、R36构成的减法电路，与经过由运算放大器U24和电阻R2A、R2B、R22构成的同向比例放大电路的输入电压Vs2做减法运算，减法电路的输出经过电阻R1、R2组成的分压网络和隔直电容C后得到最终的自传感信号电压Vs。
本发明可以取得如下有益效果：
本发明的一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器是同时具有传感和驱动功能于一体的自传感驱动器，以达到无传感器闭环控制和同位控制、提高系统响应速度和控制精度、增强系统可靠性、简化系统和降低成本等目的。
附图说明
图1为双相对置超磁致伸缩自传感驱动器结构原理图；
图2为斜锲卡片三维结构图；
图3为密封套结构原理图；
图4为预压力锁紧微调装置结构原理图；
图5为MCU控制电路图；
图6为DA转换电路图；
图7为光电隔离电路图；
图8为功率放大电路图；
图9为信号分离反馈电路图；
图中，1-U型底座、2-大卡环、3-支撑销、4-密封套、5-小卡环、6-弹簧、7-顶杆、8-斜锲卡片、9-凸台密封螺钉、10-调节螺钉、11-螺纹轴、12-封口螺帽、13-超磁致伸缩棒、14-导磁片、15-线圈骨架、16-碟簧、17-连接件、18-驱动杆、19-推杆、20-驱动线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。
如图1至9所示本发明的双相对置超磁致伸缩自传感驱动器新型结构主要由超磁致伸缩自传感驱动器和具有自传感信号检测反馈功能的双输出数控电源组成。利用自传感驱动器两个结构对称的自传感驱动组件之间的耦合将输入的电流信号转换成驱动杆的位移和驱动力输出，具有自传感信号检测反馈功能的双输出数控电源则为两个驱动线圈提供稳定的差动电压以及合适的驱动电流，并把连接件17偏转的位移信息反馈到到数控电源数字控制部分，控制驱动线圈所加电压大小。
首先，调整超磁致伸缩棒13所受预压力大小，以右端预压力锁紧微调装置为例，顺时针转动封口螺帽12(螺纹均为右旋)，推动调节螺钉10向下运动，进而推动斜锲斜锲卡片8向下运动，斜锲卡片8下端弹簧6受力压缩，由于斜锲卡片8左侧为斜锲面结构，从而斜锲卡片8的下移推动顶杆7向左运动，增加碟簧16变形使之达到碟簧线性工作区(在此区域内碟簧变形不改变碟簧储存的能量)，超磁致伸缩棒13所受的预压力增大，进入其线性工作范围。在调整超磁致伸缩棒13预压力的同时，调节螺钉10所受的反作用力作用于封口螺帽12，螺纹轴11上端和下端螺纹所受的压紧力增加，而由于由U型底座1、调节螺钉10、螺纹轴11、封口螺帽12构成的“对顶螺母”锁紧结构的存在，在自传感驱动器工作时调节螺钉位置保证严格不变，从而保证自传感驱动器工作工程中预压力的恒定。相反，逆时针转动封口螺帽12，在弹簧6与碟簧16的恢复力作用下驱使斜锲卡片8上移，顶杆7右移，作用于超磁致伸缩棒13的预压力减小。同时，利用这种螺纹联接驱动斜锲卡片8，当拧动上端封口螺帽12时，调节螺钉10向下运动，推动斜锲卡片8向下运动，而由于斜锲卡片8与顶杆7接触处为斜面，所以当斜锲卡片8下移时，顶杆7同时向水平方向运动，水平方向移动的位移由斜锲卡片8向下运动的位移和卡片斜面倾角决定，倾角越小，顶杆7的水平位移量越小，因此可以利用这种结构来实现斜锲卡片8移动的微小位移，从而从微量角度来调节超磁致伸缩棒13的预压力。在调整超磁致伸缩自传感驱动器预压力的同时，要保证两根超磁致伸缩棒的预压力严格相等以及相对于连接件17的严格对中，此外要保证驱动杆18处于垂直位置，这样，既可以使伺服阀正常工作，又可以减小伺服阀在零位时的泄漏量。
新型自传感驱动器将同时具有驱动和传感功能的两自传感驱动组件通过一对碟簧16对称置于连接件17两侧，通过外加电源提供的差动电压造成的伸缩差异以及两自传感驱动组件的耦合来工作，当在自传感驱动器两驱动线圈20通入电流相等或断流情况下，自传感驱动器输出端在预压力作用下平衡。当两驱动线圈20通入差动电流时，假设左端驱动线圈通高电流，右端磁致伸缩棒通低电流，如图1所示。那么左端超磁致伸缩棒在磁场作用下伸长，并输出一定的力和位移，而右端超磁致伸缩棒由于磁场较弱伸长较短，左端磁致伸缩棒作用于碟簧16、连接件17、驱动杆18等构成的输出组件，使连接件17、驱动杆18绕支撑销3产生顺时针偏转，并利用驱动杆18与阀芯的连接，驱动阀芯产生放大的向左方向的位移，使伺服阀A口输出一定流量。同理，当右端驱动线圈通高电流，左端磁致伸缩棒通低电流时，阀芯产生放大的向有方向的位移，使伺服阀B口输出一定流量。
一端超磁致伸缩棒的伸长，输出一定的位移和作用力，使连接件17产生偏转，而连接件17的偏移会使另一端超磁致伸缩棒产生挤压力，从而使另一端超磁致伸缩棒缩短，而当超磁致伸缩棒受到外力作用时，其内部磁畴发生变化，从而导致驱动线圈内部电流发生变化，即连接件17的位移转化为引起线圈电流变化的自传感信号。该信号被采集到双输出数控电源当中，通过A/D转换电路输入到DSP单片机当中，利用LMS算法进行运算处理，获得单片机输出电压Vdsp，Vdsp输入到信号分离电路，由信号分离电路获得自传感反馈信号Vout，Vout经过D/A转换电路将调节信息输入到CPU，从而实现CPU以一定关系输出两个精确可控电压，电源的两个输出端的电压按设定的压差大小、变化快慢有次序的增大-压差大小以及电压变化快慢在程序中设置，电压较小端输出电压始终以设定的压差大小为依据跟随较大电压变化。由于数字控制电路不能提供足够大的电流，一般在微安级别，因此差动电源输出的差动电压直接与功率放大电路相连，来放大输出电流，这样，CPU发送的低功率信号经放大之后能够产生足够大的电流以满足驱动线圈20的需求，同时给驱动线圈20提供作为传感功能使用时所需要的稳定电压。
双相对置超磁致伸缩自传感驱动直接力反馈伺服阀，其最大工作压力为15Mpa，流量为12L/min，阀内泄漏量小于0.1L/min，频率响应在200Hz以上，死区小于2％，滞环小于5％，能够满足目前水下作业机械手对运动精度和稳定性的要求。

Claims (1)

1.一种双相对置超磁致伸缩自传感驱动器，该驱动器包括超磁致伸缩自传感驱动器与具有自传感信号检测反馈功能的双输出数控电源，其特征在于：
其中的超磁致伸缩自传感驱动器由U型底座(1)、输出组件、2个相互耦合的超磁致伸缩自传感驱动组件和预压力锁紧微调装置组成；其中的输出组件由大卡环(2)、支撑销(3)、密封套(4)、小卡环(5)、连接件(17)、驱动杆(18)组成；超磁致伸缩自传感驱动组件由超磁致伸缩棒(13)、导磁片(14)、线圈骨架(15)、碟簧(16)、推杆(19)、驱动线圈(20)组成；预压力锁紧微调装置由弹簧(6)、顶杆(7)、斜锲卡片(8)、凸台密封螺钉(9)、调节螺钉(10)、螺纹轴(11)、封口螺帽(12)组成；
所述的超磁致伸缩自传感驱动器通过推杆(19)、碟簧(16)对称置于连接件(17)的两侧，并通过输出组件形成双相对置超磁致伸缩自传感驱动器的耦合输出结构，两个超磁致伸缩自传感驱动组件对称安装于U型底座(1)内，靠U型底座(1)外侧挡板与内侧凸台卡紧，U型底座(1)的内部为弧形结构，其直径大小与线圈骨架(15)相同，驱动线圈(20)通直流电产生驱动磁场驱动超磁致伸缩棒(13)伸长，超磁致伸缩棒(13)置于线圈骨架(15)空心部分，两端分别连接导磁片(14)，直径略小于线圈骨架(15)空心部分的内径，线圈骨架(15)外绕有驱动线圈(20)，线圈骨架(15)和驱动线圈(20)固定于U型底座(1)内；超磁致伸缩棒(13)一侧通过导磁片(14)与推杆(19)相连，推杆(19)通过碟簧(16)对称的作用于连接件(17)，连接件(17)位于U型底座(1)的中间位置，连接件(17)与驱动杆(18)相连，并通过支撑销(3)形成杠杆机构，同时，密封套(4)下端与U型底座(1)成过盈配合，并用大卡环(2)拧紧，密封套(4)上端与驱动杆(18)成过盈配合，并用小卡环(5)拧紧，超磁致伸缩棒(13)外侧连接导磁片(14)内侧，导磁片(14)外侧与预压力锁紧微调装置相连接，为超磁致伸缩棒(13)提供预压力；
导磁片(14)外侧与预压力锁紧微调装置连接，即导磁片(14)外侧连接顶杆(7)，而顶杆(7)与斜锲卡片(8)的斜面接触，斜锲卡片(8)上端与调节螺钉(10)接触，调节螺钉(10)上端与封口螺帽(12)下端同样通过螺纹与U型底座(1)相连接；
具有自传感信号检测功能的双输出数控电源包括双输出差动电源电路、信号分离反馈电路两部分，其中差动电源电路由MCU、D/A转换电路、光电隔离电路、输出级功率放大电路组成，MCU的数据总线P0.0～P0.1口与总线驱动器U6和U4的数据输入端口D0～D7相连，用于传输总线数据，U6与U4的锁存使能引脚分别与MCU的P2.0和P2.1相接，完成对待转换数据的锁存控制，U4和U6的输出引脚Q0～Q7分别与数模转换器U2和U3的数据输入引脚DI0～DI7相接，U2与U3的写使能引脚WR1与MCU的P2.3脚连接，写使能引脚WR2接地，片选信号CS与MCU的P2.2脚相连，实现对U2和U3的选择；两片数模转换器的输出引脚OUT1和OUT2分别与运算放大器U7、U8的反相输入端和同相输入端连接构成完整的DA转换电路，运算放大器的输出端电压V1、V2即为数字量转换后的模拟电压值，DA转换后模拟电压V1、V2经光电隔离电路输入到功率放大电路进行放大后驱动电磁线圈，其中电压V1经电阻R17后与运算放大器U9的同相输入端、光电耦合器U11的管脚3相连，U11的管脚2与运算放大器U9的输出端相连，U11的输出端5与运算放大器U13的同相输入端、电阻R18相连，U13的输出端与反相输入端连接构成电压跟随器，实现输出电压对输入电压的跟随，并消除输入端电压波动对输入端得影响，运算放大器U10、U14与光电耦合器U12构成对电压V2进行隔离的隔离电路，消除电路自身和周围环境中的干扰信号对功放电路的干扰，电压Vo1、Vo2分别为电压V1、V2经过光电隔离后的输出电压，电压Vo1经过由电阻R310、电阻R36和运算放大器U15构成的电压跟随电路后，输入由运算放大器U17、U19，功率三极管Q1、Q2，电阻R38、R34构成的功率放大电路，之后输出可以驱动线圈的输出电压Vout1，其中运算放大器U19的反相输入端与输出端相连构成电压跟随器，将采样电阻R34两端的电压反馈到运算放大器U17的反相输出端，以此形成功率放大电路的负反馈结构，提高电路控制精度和稳定性；而电压Vo2经过由运算放大器U18、U20，功率三极管Q3、Q4，电阻R114、R113构成的第二路功率放大电路进行放大，之后输出驱动第二个线圈的输出电压Vout2；
自传感信号分离反馈电路主要由信号放大器、乘法器(U21)、减法器三个部分组成，输入电压Vs1经过运算放大器U22与电阻R1B、R1A、R21构成同相比例放大电路，对其幅值进行调整，防止乘法器U21溢出，调整后的输出电压输入乘法器(U21)的x1输入端，与输入y1端的电压V做乘法运算，乘法器(U21)的输入端x2和y2接地，运算结果由w引脚输出，输出电压经过运算放大器U23与电阻R3B、R3A、R6构成同相比例放大电路后输入由运算放大器U25和电阻R4、R34、R35、R36构成的减法电路，与经过由运算放大器U24和电阻R2A、R2B、R22构成的同向比例放大电路的输入电压Vs2做减法运算，减法电路的输出经过电阻R1、R2组成的分压网络和隔直电容C后得到最终的自传感信号电压Vs。
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