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《大连理工大学》 2002年
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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

杨兴  
【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。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TH703

【引证文献】
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1 卢全国;陈定方;魏国前;丁建军;;GMM的发展现状及其在精密致动器件中的应用[A];12省区市机械工程学会2006年学术年会湖北省论文集[C];2006年
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【参考文献】
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【共引文献】
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9 朱训国;杨庆;栾茂田;;隧道围岩中全长注浆岩石锚杆的应力分布分析[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
10 顾士坦;赵同彬;;SMW工法型钢-水泥土组合梁抗弯性能分析[A];第九届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集[C];2007年
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【同被引文献】
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7 吴秋平;韩丰田;;半球静电支承的数字控制[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(下)[C];2005年
8 方岱宁;裴永茂;高旭;;铁磁智能材料的多场耦合实验和理论[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
9 刘玉敏;俞重远;张晓光;杨伯君;;一种新型的可调谐偏振态色散延迟线的研究[A];第三届中国光通信技术与市场研讨会论文集[C];2003年
10 曹颖萃;;3610L系列直行程电动执行器的调整[A];中国有色金属工业企业管理现代化成果、优秀论文专集[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 周嘉铨;发展执行器应走电度表之路[N];中国工业报;2003年
2 赵颂;新材料应用国际学术研讨会在贵阳举行[N];中国有色金属报;2006年
3 本报记者 唐学良;沈阳机床多功能制孔执行器通过验收[N];上海证券报;2009年
4 ;模口间隙微位移调节装置[N];中国包装报;2004年
5 佚名;丹纳赫传动的推荐[N];现代物流报;2007年
6 吴钦炜;技术开路 成果迭出[N];中国化工报;2002年
7 蔡绮芝 DigiTimes;传感器、执行器市场年增长19%[N];电子资讯时报;2007年
8 张莹;智能电动阀门控制器问世[N];中国房地产报;2005年
9 傅世枢;减少行人伤害 欧日汽车业已行动起来[N];中国汽车报;2005年
10 厦门 梁静;浅谈 HONEYWELL CARE 编程[N];电子报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨兴;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[D];大连理工大学;2002年
2 孙华刚;超磁致伸缩换能器耦合磁弹性理论及车削加工应用研究[D];东北大学;2008年
3 梁轶瑞;铁磁类材料若干多场耦合行为的实验研究[D];兰州大学;2010年
4 董维杰;压电自感知执行器理论与应用研究[D];大连理工大学;2003年
5 易军;无线传感器/执行器网络协作算法研究[D];重庆大学;2010年
6 吕亮;具有执行器饱和的控制系统分析与设计[D];上海交通大学;2010年
7 谷国迎;压电陶瓷驱动微位移平台的磁滞补偿控制理论和方法研究[D];上海交通大学;2012年
8 顾磊;高性能MEMS射频无源器件与三维硅微机械加工技术[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2007年
9 曹淑瑛;超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型与控制技术[D];河北工业大学;2004年
10 王福吉;正负超磁致伸缩复合薄膜静动态特性及控制关键技术[D];大连理工大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 武丹;超磁致伸缩执行器及其控制技术研究[D];大连理工大学;2000年
2 赵岩;超磁致伸缩材料微位移执行器空间磁场分布特性的研究[D];大连理工大学;2004年
3 钟颖;基于模型参考自适应控制的超磁致伸缩执行器控制策略与装置[D];河南理工大学;2010年
4 宗福才;输出力可控的超磁致伸缩执行器控制技术研究[D];大连理工大学;2012年
5 张菊;超磁致伸缩执行器磁滞建模与控制技术研究[D];大连理工大学;2004年
6 杨东利;超磁致伸缩执行器及其在主动振动控制中的应用研究[D];浙江大学;2002年
7 陶玉昆;超磁致伸缩执行器特性分析及其控制策略研究[D];河南理工大学;2010年
8 王卓;结构振动控制中超磁致伸缩执行器的设计及其自感知研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 杨申;超磁致伸缩微位移系统的研究[D];沈阳理工大学;2011年
10 刘合松;超磁致伸缩换能器正逆效应和自感知基础理论及仿真研究[D];河北工业大学;2011年
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