超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構(gòu)成閉合磁路，以其內(nèi)磁場的均勻性且可以減少漏磁；對于驅(qū)動形式，采用了恒流源驅(qū)動，設(shè)計了高穩(wěn)定度的壓控連續(xù)可調(diào)型雙向恒流源作為驅(qū)動器的輸入來提供驅(qū)動磁場；同時，采用基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP微處理器的高精度控制電路，采用霍爾傳感器對磁感應(yīng)強度進行監(jiān)測，進行閉環(huán)控制，以通過對磁感應(yīng)強度的監(jiān)測來實現(xiàn)對輸出位移的控制。本發(fā)明的超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)不僅恒流源線性度良好，驅(qū)動系統(tǒng)精度較高，而且基于微位移驅(qū)動器的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
【專利說明】超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案設(shè)計了超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)，具體地說是根據(jù)該系統(tǒng)的實際工作特性對其兩部分:微位移驅(qū)動器和外圍電路進行了較好地設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，超精密加工技術(shù)的要求越來越高，這也增加了對微位移驅(qū)動和定位技術(shù)發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的微位移驅(qū)動器的驅(qū)動材料多采用熱膨脹元件和壓電陶瓷，由于在這類材料中普遍存在伸縮應(yīng)變量小、反應(yīng)時間長、驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易老化等問題，嚴(yán)重影響了驅(qū)動器工作范圍的擴大和控制精度的提高。超磁致伸縮材料(Tba27Dya73Feu3)是一種新型的功能材料，磁致伸縮應(yīng)變大、響應(yīng)速度快、能量密度高等是該類材料的顯著特點，因其優(yōu)異的性能、被廣泛應(yīng)用于納米驅(qū)動器和傳感器等領(lǐng)域。
[0003]針對目前微位移驅(qū)動器普遍存在的問題，基于超磁致伸縮材料的伸縮系數(shù)大、機電耦合系數(shù)高、響應(yīng)速度快、輸出功率大的優(yōu)點，將超磁致伸縮材料引入到微位移驅(qū)動器中，充分發(fā)揮超磁致伸縮材料特性上的優(yōu)點，研制出的超磁致伸縮微位移驅(qū)動器，將克服目前微位移驅(qū)動器由于工作機理的原因所普遍存在的一些缺點，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:根據(jù)超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的實際工作特性，通過對其微位移驅(qū)動器和外圍電路兩部分進行較好地設(shè)計，使得該系統(tǒng)不僅恒流源線性度良好，驅(qū)動系統(tǒng)精度較高，而且基于微位移驅(qū)動器的閉壞控制系統(tǒng)具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
[0005]本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構(gòu)成閉合磁路，以其內(nèi)磁場的均勻性且可以減少漏磁；對于驅(qū)動形式，采用了恒流源驅(qū)動，設(shè)計了高穩(wěn)定度的壓控連續(xù)可調(diào)型雙向恒流源作為驅(qū)動器的輸入來提供驅(qū)動磁場；同時，采用基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP微處理器的高精度控制電路，采用霍爾傳感器對磁感應(yīng)強度進行監(jiān)測，進行閉環(huán)控制，以通過對磁感應(yīng)強度的監(jiān)測來實現(xiàn)對輸出位移的控制。
[0006]上述超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計見附圖2，由柔性鉸鏈輸出機構(gòu)、磁致伸縮棒、預(yù)緊機構(gòu)、通電螺線管、外殼和永久磁鐵等組成閉合磁路，其中輸出機構(gòu)、預(yù)緊機構(gòu)、外殼采用導(dǎo)磁材料以防止漏磁，提高螺線管內(nèi)磁場的均勻性，并且不會與外部的儀器和設(shè)備相互干擾。
[0007]上述超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，所述的驅(qū)動形式見附圖3，采用了螺線管線圈作為驅(qū)動元件產(chǎn)生驅(qū)動磁場，永磁材料產(chǎn)生偏置磁場的驅(qū)動形式。永磁體材料的特點是矯頑力大，剩磁也大，磁滯回線所包圍的面積大，若將其制成磁體，經(jīng)外磁場磁化，去掉磁化場后仍能對外保持磁場，即使在較大的反磁場下也仍保留較強的磁感應(yīng)強度，傳統(tǒng)上永磁體材料指的是鋁鎳鈷和鐵氧體，但由于這些永磁材料的剩余磁感應(yīng)強度及矯頑力相對來說都比較小，因而在本磁場設(shè)計中采用銣鐵硼材料作為永磁鐵，產(chǎn)生偏置磁場。同時，永久磁鐵的使用也可以縮小驅(qū)動線圈的體積，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，進而縮小驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)在精密定位場合的應(yīng)用。
[0008]上述超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，所述的基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)見附圖4，通過電流控制系統(tǒng)來控制微位移驅(qū)動器中螺線管線圈中的電流來改變驅(qū)動磁場大小，從而控制驅(qū)動器的位移輸出。將輸出位移量和磁感應(yīng)強度的測量值反饋到計算機中并進行實時的監(jiān)測。同時，通過設(shè)計的高精度溫度傳感器監(jiān)測驅(qū)動系統(tǒng)中的溫度，通過溫度控制系統(tǒng)將工作溫度盡量控制在恒溫狀態(tài)。此外，還設(shè)計了基于DSP微處理技術(shù)的控制電路，采用了低通濾波接口電路和多路高精度、快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，通過RS-232串行口和USB通訊接口，實現(xiàn)與上位微機之間的數(shù)據(jù)交換或微機控制。在實際工作時，將整個實驗裝置置于防震平臺上，以防止周圍環(huán)境的干擾。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:①恒流源線性度良好，驅(qū)動系統(tǒng)精度較高；②基于微位移驅(qū)動器的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的輸出特性，具有較高的通用性和工程實用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0011]圖1為本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的總體設(shè)計示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。
[0013]圖3為本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動形式原理簡圖。
[0014]圖4為本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)原理框圖。
【具體實施方式】
[0015]圖1所示實施例表明，本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構(gòu)成閉合磁路，以其內(nèi)磁場的均勻性且可以減少漏磁；對于驅(qū)動形式，采用了恒流源驅(qū)動，設(shè)計了高穩(wěn)定度的壓控連續(xù)可調(diào)型雙向恒流源作為驅(qū)動器的輸入來提供驅(qū)動磁場；同時，采用基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP微處理器的高精度控制電路，采用霍爾傳感器對磁感應(yīng)強度進行監(jiān)測，進行閉環(huán)控制，以通過對磁感應(yīng)強度的監(jiān)測來實現(xiàn)對輸出位移的控制。
[0016]圖2所示實施例表明，本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，超磁致伸縮棒處在激勵線圈和偏置磁場產(chǎn)生的磁場中。當(dāng)改變激勵線圈中的電流時，超磁致伸縮棒就會發(fā)生伸縮變形，產(chǎn)生位移輸出，所以通過控制超磁致伸縮微位移驅(qū)動器中線圈的電流值大小來改變線圈所產(chǎn)生的磁場大小，就可控制超磁致伸縮驅(qū)動器的輸出位移和力。其中由預(yù)緊機構(gòu)向超磁致伸縮棒施加軸向預(yù)壓力，它可使棒內(nèi)部磁疇在零磁場時盡可能地沿著與軸向應(yīng)力垂直的方向排列；在外加激勵磁場作用下，可獲得較大的軸向磁致仲縮應(yīng)變，從而增大位移輸出。另外，預(yù)壓力的大小對磁機耦合系數(shù)和場耦合系數(shù)也有一定影響，適當(dāng)大小的預(yù)壓力可提高驅(qū)動器中電磁能向機械能的轉(zhuǎn)換效率。
[0017]圖3所示實施例表明，本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，在螺線管上下及四周用磁性材料構(gòu)成閉合磁路,線圈中產(chǎn)生的磁通基本上都被約束在由磁性材料構(gòu)成的磁路內(nèi)，漏磁較小，磁路封閉性好，不僅提高了螺線管內(nèi)磁場的均勻性，而且在勵磁電流相同的條件下，螺線管內(nèi)磁場強度也有提高，更接近閉合回路的磁場強度理論。此外將螺線管線圈長度設(shè)計成略大于超磁致伸縮棒的長度，使線圈在長度方向上涵蓋整個磁致伸縮棒，這樣可以改善棒中磁場的均勻度，避免邊端效應(yīng)。此種驅(qū)動方式的優(yōu)點是可方便地調(diào)節(jié)超磁致伸縮棒內(nèi)驅(qū)動磁場的大小，并且磁路中的非線性元件少。
[0018]圖4所示實施例表明，本發(fā)明超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，控制系統(tǒng)主要由以下幾部分電路組成:
[0019](I)控制系統(tǒng)核心處理電路?？刂齐娐肥强刂葡到y(tǒng)的核心部分，用來接收監(jiān)測驅(qū)動器工作時的反饋信號進行數(shù)據(jù)處理并輸出以控制驅(qū)動器工作。
[0020](2)恒流源驅(qū)動電路。恒流源電路是本驅(qū)動系統(tǒng)的輸入部分，其輸出電流用來驅(qū)動線圈產(chǎn)生超磁致伸縮材料的工作磁場，超磁致伸縮微位移驅(qū)動器的工作離不開驅(qū)動電源，驅(qū)動電源是驅(qū)動系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵。
[0021](3)溫控部分。溫控部分包括溫度檢測電路和溫度控制電路，是用來保障驅(qū)動系統(tǒng)的恒溫工作條件的，要求電路能夠使驅(qū)動器工作時溫度控制在要求范圍內(nèi)。
[0022](4)磁場感知電路。這是磁感應(yīng)強度監(jiān)測的電路，通過監(jiān)測磁場的大小來控制恒流源的輸出進而控制驅(qū)動磁場，實現(xiàn)基于磁感應(yīng)強度的控制方法。
【權(quán)利要求】
1.超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其特征在于，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用磁性材料將超磁致伸縮棒上下及四周構(gòu)成閉合磁路，以其內(nèi)磁場的均勻性且可以減少漏磁；對于驅(qū)動形式，采用了恒流源驅(qū)動，設(shè)計了高穩(wěn)定度的壓控連續(xù)可調(diào)型雙向恒流源作為驅(qū)動器的輸入來提供驅(qū)動磁場；同時，采用基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP微處理器的高精度控制電路，采用霍爾傳感器對磁感應(yīng)強度進行監(jiān)測，進行閉環(huán)控制，以通過對磁感應(yīng)強度的監(jiān)測來實現(xiàn)對輸出位移的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其特征還在于，所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計由柔性鉸鏈輸出機構(gòu)、磁致伸縮棒、預(yù)緊機構(gòu)、通電螺線管、外殼和永久磁鐵等組成閉合磁路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其特征還在于，所述的驅(qū)動形式采用了螺線管線圈作為驅(qū)動元件產(chǎn)生驅(qū)動磁場，永磁材料產(chǎn)生偏置磁場的驅(qū)動形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其特征還在于，所述的基于磁感應(yīng)強度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，還設(shè)計了基于DSP微處理技術(shù)的控制電路，采用了低通濾波接口電路和多路高精度、快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，通過RS-232串行口和USB通訊接口，實現(xiàn)與上位微機之間的數(shù)據(jù)交換或微機控制。
【文檔編號】H02N2/06GK103647473SQ201310692623
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】李勁松, 楊慶新, 張獻, 閆榮格, 金亮, 祝麗花 申請人:天津工業(yè)大學(xué)