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微型机器人执行器设计及其无线供能模块的调谐控制研究

陈阳  
【摘要】:近年来,微米纳米技术的发展促进了微型管道机器人的研究,而微型管道机器人技术一直存在着两个重要的问题:电能的供给和执行器的选择。一方面,现有微型管道机器人能量获取普遍采用有缆供电和电池供电,这极大制约了管道机器人的工作范围。另一方面,微型的体积和有限的能量供给使得管道机器人需要一个高效的执行器机构。本文针对微型管道机器人的这两个问题,展开了基于磁耦合谐振无线电能传输(Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transmission,MCR WPT)的电能供给技术研究和超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)的执行器设计,并通过分析超磁致伸缩执行器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)的阻抗特性,提出了MCR WPT系统的调谐控制策略。本文的主要研究内容包括:(1)分析并比较MCR WPT系统的耦合模模型和电路模型,深入研究电路模型的工作原理,建立电路模型两线圈结构的电容补偿模型。通过计算不同补偿模型下发射端和接收端等效阻抗选择系统的补偿方式,确定系统功率、效率与负载,互感和耦合系数的关系;(2)根据GMA的工作特性设计GMA的结构、预压力、冷却系统等。利用Ansoft Maxwell软件把设计好的GMA带入MCR WPT电路中进行电磁有限元仿真,分析GMA对电路的谐振影响,并比较不同材质、厚度屏蔽箱对GMA磁场的影响;(3)提出MCR WPT系统通过采样发射端电压和电流,基于相控电容技术的调谐控制,通过Matlab/Simulink设计驱动调频模块、采样模块、相控电容调谐模块和耦合线圈模块,并通过仿真证明其调频、调谐的可行性;(4)搭建MCR WPT系统的磁机耦合样机,通过GMA对系统谐振状态的影响测试基于相控电容调谐控制技术,通过高精度激光位移传感器测量调谐前后GMA的振动,验证相控电容调谐控制技术的可行性。本文提出一种微型管道机器人的磁机耦合模型,为管道机器人的无线供电、高效执行器设计提供了一种新的解决方案,具有重要的理论和应用价值。


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