CN104184361A - 基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计 - Google Patents

Abstract

本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，在结构设计方面，采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路，以其内磁场的均匀性且可以减少漏磁；对于驱动形式，采用了恒流源驱动，设计了高稳定度的压控连续可调型双向恒流源作为驱动器的输入来提供驱动磁场；同时，采用基于磁感应强度的闭环控制系统，设计了基于DSP微处理器的高精度控制电路，采用霍尔传感器对磁感应强度进行监测和闭环控制，以实现对输出位移的控制。本发明的基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计不仅恒流源线性度良好，驱动系统精度较高，而且基于微位移驱动器的闭环控制系统具有较好的输出特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

Description

基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计

技术领域

本发明的技术方案设计了基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统，具体地说是根据该系统的实际工作特性对其两部分：微位移驱动器和外围电路进行了较好地设计。

背景技术

随着科技的发展，超精密加工技术的要求越来越高，这也增加了对微位移驱动和定位技术发展的要求。传统的微位移驱动器的驱动材料多采用热膨胀元件和压电陶瓷，由于在这类材料中普遍存在伸缩应变量小、反应时间长、驱动结构复杂、易老化等问题，严重影响了驱动器工作范围的扩大和控制精度的提高。超磁致伸缩材料(Tb0.27Dy0.73Fe1.93)是一种新型的功能材料，磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高等是该类材料的显著特点，因其优异的性能、被广泛应用于纳米驱动器和传感器等领域。

针对目前微位移驱动器普遍存在的问题，基于超磁致伸缩材料的伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快、输出功率大的优点，将超磁致伸缩材料引入到微位移驱动器中，充分发挥超磁致伸缩材料特性上的优点，研制出的超磁致伸缩微位移驱动器，将克服目前微位移驱动器由于工作机理的原因所普遍存在的一些缺点，在很多领域得到广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：根据超磁致伸缩材料微位移驱动系统的实际工作特性，通过对其微位移驱动器和外围电路两部分进行较好地设计，使得该系统不仅恒流源线性度良好，驱动系统精度较高，而且基于微位移驱动器的闭环控制系统具有较好的输出特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，在结构设计方面，采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路，以其内磁场的均匀性且可以减少漏磁；对于驱动形式，采用了恒流源驱动，设计了高稳定度的压控连续可调型双向恒流源作为驱动器的输入来提供驱动磁场；同时，采用基于磁感应强度的闭环控制系统，设计了基于DSP微处理器的高精度控制电路，采用霍尔传感器对磁感应强度进行监测，进行闭环控制，以通过对磁感应强度的监测来实现对输出位移的控制。

上述基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，所述的结构设计见附图2，由柔性铰链输出机构、磁致伸缩棒、预紧机构、通电螺线管、外壳和永久磁铁等组成闭合磁路，其中输出机构、预紧机构、外壳采用导磁材料以防止漏磁，提高螺线管内磁场的均匀性，并且不会与外部的仪器和设备相互干扰。

上述基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，所述的驱动形式见附图3，采用了螺线管线圈作为驱动元件产生驱动磁场，永磁材料产生偏置磁场的驱动形式。永磁体材料的特点是矫顽力大，剩磁也大，磁滞回线所包围的面积大，若将其制成磁体，经外磁场磁化，去掉磁化场后仍能对外保持磁场，即使在较大的反磁场下也仍保留较强的磁感应强度，传统上永磁体材料指的是铝镍钴和铁氧体，但由于这些永磁材料的剩余磁感应强度及矫顽力相对来说都比较小，因而在本磁场设计中采用铷铁硼材料作为永磁铁，产生偏置磁场。同时，永久磁铁的使用也可以缩小驱动线圈的体积，使结构更加紧凑，进而缩小驱动器的结构，有利于系统在精密定位场合的应用。

上述基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，所述的基于磁感应强度的闭环控制系统见附图4，通过电流控制系统来控制微位移驱动器中螺线管线圈中的电流来改变驱动磁场大小，从而控制驱动器的位移输出。将输出位移量和磁感应强度的测量值反馈到计算机中并进行实时的监测。同时，通过设计的高精度温度传感器监测驱动系统中的温度，通过温度控制系统将工作温度尽量控制在恒温状态。此外，还设计了基于DSP微处理技术的控制电路，采用了低通滤波接口电路和多路高精度、快速A/D和D/A转换器，通过RS-232串行口和USB通讯接口，实现与上位微机之间的数据交换或微机控制。在实际工作时，将整个实验装置置于防震平台上，以防止周围环境的干扰。

本发明的有益效果是：①恒流源线性度良好，驱动系统精度较高；②基于微位移驱动器的闭环控制系统具有较好的输出特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统的总体设计示意图。

图2为本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统的结构设计图。

图3为本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统的驱动形式原理简图。

图4为本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统的控制系统原理框图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，在结构设计方面，采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路，以其内磁场的均匀性且可以减少漏磁；对于驱动形式，采用了恒流源驱动，设计了高稳定度的压控连续可调型双向恒流源作为驱动器的输入来提供驱动磁场；同时，采用基于磁感应强度的闭环控制系统，设计了基于DSP微处理器的高精度控制电路，采用霍尔传感器对磁感应强度进行监测，进行闭环控制，以通过对磁感应强度的监测来实现对输出位移的控制。

图2所示实施例表明，本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，超磁致伸缩棒处在激励线圈和偏置磁场产生的磁场中。当改变激励线圈中的电流时，超磁致伸缩棒就会发生伸缩变形，产生位移输出，所以通过控制超磁致伸缩微位移驱动器中线圈的电流值大小来改变线圈所产生的磁场大小，就可控制超磁致伸缩驱动器的输出位移和力。其中由预紧机构向超磁致伸缩棒施加轴向预压力，它可使棒内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列；在外加激励磁场作用下，可获得较大的轴向磁致伸缩应变，从而增大位移输出。另外，预压力的大小对磁机耦合系数和场耦合系数也有一定影响，适当大小的预压力可提高驱动器中电磁能向机械能的转换效率。

图3所示实施例表明，本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，在螺线管上下及四周用磁性材料构成闭合磁路，线圈中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内，漏磁较小，磁路封闭性好，不仅提高了螺线管内磁场的均匀性，而且在励磁电流相同的条件下，螺线管内磁场强度也有提高，更接近闭合回路的磁场强度理论。此外将螺线管线圈长度设计成略大于超磁致伸缩棒的长度，使线圈在长度方向上涵盖整个磁致伸缩棒，这样可以改善棒中磁场的均匀度，避免边端效应。此种驱动方式的优点是可方便地调节超磁致伸缩棒内驱动磁场的大小，并且磁路中的非线性元件少。

图4所示实施例表明，本发明基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，控制系统主要由以下几部分电路组成：

(1)控制系统核心处理电路。控制电路是控制系统的核心部分，用来接收监测驱动器工作时的反馈信号进行数据处理并输出以控制驱动器工作。

(2)恒流源驱动电路。恒流源电路是本驱动系统的输入部分，其输出电流用来驱动线圈产生超磁致伸缩材料的工作磁场，超磁致伸缩微位移驱动器的工作离不开驱动电源，驱动电源是驱动系统研究中的关键。

(3)温控部分。温控部分包括温度检测电路和温度控制电路，是用来保障驱动系统的恒温工作条件的，要求电路能够使驱动器工作时温度控制在要求范围内。

(4)磁场感知电路。这是磁感应强度监测的电路，通过监测磁场的大小来控制恒流源的输出进而控制驱动磁场，实现基于磁感应强度的控制方法。

Claims (4)

1.基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，其特征在于，在结构设计方面，采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路，以其内磁场的均匀性且可以减少漏磁；对于驱动形式，采用了恒流源驱动，设计了高稳定度的压控连续可调型双向恒流源作为驱动器的输入来提供驱动磁场；同时，采用基于磁感应强度的闭环控制系统，设计了基于DSP微处理器的高精度控制电路，采用霍尔传感器对磁感应强度进行监测，进行闭环控制，以通过对磁感应强度的监测来实现对输出位移的控制。

2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，其特征还在于，所述的结构设计由柔性铰链输出机构、磁致伸缩棒、预紧机构、通电螺线管、外壳和永久磁铁等组成闭合磁路。

3.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，其特征还在于，所述的驱动形式采用了螺线管线圈作为驱动元件产生驱动磁场，永磁材料产生偏置磁场的驱动形式。

4.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩材料的微位移驱动系统设计，其特征还在于，所述的基于磁感应强度的闭环控制系统，还设计了基于DSP微处理技术的控制电路，采用了低通滤波接口电路和多路高精度、快速A/D和D/A转换器，通过RS-232串行口和USB通讯接口，实现与上位微机之间的数据交换或微机控制。