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康茂胜CAMOZZI超磁致伸缩执行器特性分析
超磁致伸缩执行器具有推力强、输出位移大、反应迅速和分辨率高等优点,在微位移执行器、机器人、主动振动控制等领域展现出了广阔的应用前景。超磁致伸缩微纳米执行器(GMA)利用超磁致伸缩材料的磁致效应,通过改变驱动磁场,实现超磁致伸缩材料微伸缩,达到微纳米高精度定位目的。超磁致伸缩微纳米执行器已经被广泛研究与开发,其应用包括机械加工、航天、汽车等领域。传统超磁致伸缩执行器通过改变线圈电流实现超磁致伸缩材料微位移输出可调。然而,超磁致伸缩执行器输出特性存在强烈的本征非线性和磁滞特性,阻碍了超磁致伸缩执行器的发展与应用。

康茂胜CAMOZZI超磁致伸缩执行器特性分析
本文对基于J-A磁滞模型、压磁方程、二次畴转模型和超磁滞伸缩执行器动力学特性的超磁致伸缩执行器非线性动态模型进行分析,并对所建立的超磁致伸缩执行器的非线性动态模型的数值实现进行了研究。 为改善超磁致伸缩执行器控制系统的定位精度,提出了将模糊理论与PID理论相结合的复合控制策略。该策略将模糊积分作用引入常规模糊控制器,实现了模糊PID控制;在控制过程中的不同阶段采用不同的控制方式。利用MATLAB模糊逻辑工具箱设计了P-模糊PID控制器。在simulink图形仿真环境下,利用P-模糊PID控制、常规模糊控制和常规PID控制方法进行控制实验。经仿真比较和分析,P-模糊PID控制在保持常规模糊控制优点的同时,对其响应速度和灵敏度实现了改善,控制效果优于常规PID控制;P-模糊PID控制下的超磁致伸缩执行器响应迅速,无超调,控制精度高。zui后,提出了带前馈补偿的P-模糊PID控制策略,并对BP神经网络逆模型前馈补偿环节和闭环P-模糊PID控制环节的软件实现进行了研供可能。
在维持一定的微位移输出时,电流需要一直保持。此时,执行器无机械功率输出,输入功率以热的形式消耗在线圈电阻上,执行器效率几乎为零。此外,在低频(10 Hz)输出情况下,传统超磁致伸缩执行器的效率也比较低。为了解决传统超磁致伸缩执行器在维持恒定微位移和低频工作条件下的低效问题,本论文设计了一种新型电机驱动超磁致伸缩执行器(Motor-Driven Giant Magnetostrictive Actuator, MDGMA)。而MDGMA利用旋转永磁体方式改变超磁致伸缩材料内部磁通,实现微位移输出可调。在维持恒定输出微位移时,MDGMA只要维持永磁体空间位置即可实现恒微位移输出。此时,电机不吸收功率,执行器效率远远高于传统超磁致伸缩执行器。通过理论、模拟和实验证明,MDGMA能实现低频微位移输出可调和维持恒定位移输出时的高效。论文分别从理论、模拟和实验来验证MDGMA这一概念的正确性。首先,利用磁路方法建立了数学模型,给出了输出微位移与驱动永磁体转动速度之间的关系表达式；其次,利用三维有限元计算方法验证了MDGMA这一概念,分析了不同励磁磁场、不同永磁体形状和不同旋转角度下的磁场分布；zui后,在超磁致伸缩材料铁镓合金特性曲线测试及机械设计的基础上,加工制作了样机,并进行了实验验证。

康茂胜CAMOZZI超磁致伸缩执行器特性分析
实验测试结果与理论分析结果高度吻合,该新型电机驱动超磁致伸缩执行器摒弃传统超磁致伸缩执行器线圈电流驱动方式,而是采用旋转永磁体驱动方式。传统超磁致伸缩执行器利用线圈电流改变超磁致伸缩材料内部磁通,实现微位移输出可调。切实验证了MDGMA这一概念的正确性。本论文所设计的MDGMA具有连续输出位移可调、发热量小和高效等优点,在高效制动装置、高精度定位平台、高精度机械加工执行器和中凸变椭圆活塞加工执行器中具有重要应用前景。