基于GMM的微致动研究及应用

【摘要】： 超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型高效的磁-机转换材料,被视作21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。GMM具有输出力大、位移分辨率高、响应速度快等诸多优势,已在超精密加工、微电子技术、生物工程、光纤对接、微型零件操作等领域显示出广阔的应用前景。利用GMM的磁致伸缩效应而制作的超磁致伸缩致动器(GMA)是目前国内外微致动领域的研究热点,已取得不少成果。但总体而言,GMA处于实验阶段,特别是在GMM材料热变形抑制和输出非线性控制等方面,尚存在许多问题,影响了GMA的实际应用。论文针对GMA现存的问题,在综合优化设计、性能分析、迟滞建模与控制、微致动应用等方面展开理论与实验研究,旨在提高GMA的输出精度及温度稳定性。 论文以精密工程、超精密工程为背景,总结了现代微致动技术的定义、特征、原理与分类,论述了GMM的发展历程、基本特性、性能优势及在微致动领域的应用现状。从GMM的微观结构出发,运用铁磁学理论解释了GMM磁致伸缩过程和磁滞的产生。为GMA的设计、分析及控制等提供理论基础。 GMA结构设计包括磁设计和热设计,二者紧密关联,然而目前的研究多集中于单独的磁设计或热设计。论文根据GMA结构特征,将磁参数和热参数结合起来考虑,提出了一种综合优化的设计方法。在满足磁设计的基础上,根据GMA内部热产生与传导的特点进行结构参数的设计和相关材料的选择。系统地分析了GMA热变形影响,提出了一种具有双水冷腔结构的整体温控装置。仿真和实验均表明,所提出的具有双水冷腔的GMA位移输出特性及温度稳定性能都较优。 基于电流模型建立了包括恒流源在内的GMA线性化动态模型,针对GMA系统的大时滞特点,分别设计了包含Smith补偿结构的PID控制器和模糊PID控制器,在Matlab环境中进行了仿真分析和效果比较。仿真结果表明,带有Smith预估器的模糊PID控制器能够很好地满足GMA系统快速响应的需求。 根据精密驱动和精密定位的要求,建立了GMA测控系统。在稳定的环境中,进行了GMA预压力实验、偏置电流实验、迟滞特性实验和精密定位实验,根据实验结果确定了GMA偏置条件和工作范围。对GMA的主迟滞回线和一阶折返曲线进行了精密测量和分析,基于实验数据建立了GMA的Preisach迟滞修正模型。为了避免对Preisach算子求逆,提出了一种以当前位置为基准的输入校正算法。基于该算法实现了GMA开环下的精密定位。 应用是微致动技术研究的目标和方向,也是约束。讨论了GMA工程应用的实现形式,提出了面向应用的三个器件,分别进行了结构设计和实物制作,并分析了其性能及应用场合。