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超磁致微位移驱动系统的研究

李海英  
【摘要】: 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。本文根据其工作特性设计了一种基于超磁致伸缩材料的微位移驱动器,主要研究内容包括:建立闭环控制系统、设计驱动磁场结构、恒流源驱动电路、温控系统和磁场感知系统以及系统性能的实验测试。 在超磁致伸缩微位移驱动器的结构设计方面,采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路,这样不仅提高了超磁致伸缩棒内磁场的均匀性,并且减少漏磁。对于驱动形式,本文采用了恒流源驱动,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。而在驱动磁场结构设计方面,本文根据麦克斯韦(Maxwell)方程组和电磁场的基本原理,采用有限元软件ANSYS对磁场分布进行了分析仿真,验证了磁场分布的均匀性,确定了驱动磁场结构形式。 同时,本系统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,此外,本文还设计了温度检测和反馈控制系统,保证了超磁致伸缩棒工作在恒温环境,减小了附加热变形对工作精度的影响。 最后,在对超磁致伸缩驱动器进行结构设计及理论分析后,我们对其进行了特性测试和数据分析,包括恒流源特性的实验、位移特性实验、精度实验等,实验结果表明恒流源线性度良好,驱动系统精度较高,基于微位移驱动器的闭环控制系统具有较好的输出特性。


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