圆筒状超磁致伸缩致动器磁场研究与仿真

为设计圆筒状超磁致伸缩致动器(GMA),采用基于磁路的方法对圆筒状超磁致伸缩材料(GMM)内的磁场强度进行计算,基于Maxwell软件建立了圆筒状GMA的3D模型并对磁路结构中各部件尺寸及GMA筒内构件的磁导率对磁场的影响进行了仿真研究。结果表明:在闭合的磁路结构中,对于给定的线圈匝数和激励电流,GMM筒中磁场强度大小受GMM筒轴向长度影响较大且为负相关。磁场均匀性方面,影响较大的是穿过圆筒状GMA构件的磁导率和导磁环轴向长度,二者均与磁场不均匀度正相关。

超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型

超磁致伸缩致动器的输入磁场与输出应变存在着磁滞非线性。为了控制及使用致动器,必须建立其准确的数学模型。该文基于Jiles—Atherton磁滞模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器结构动力学原理,建立了超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型。应用该模型对致动器的输出应变进行计算,计算结果与实验结果符合较好,验证了模型的正确性和实用性。

超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型

稀土-铁超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料,其应用越来越受到人们的关注。为了有效地设计、开发超磁致伸缩材料的器件,必须建立材料器件的输入输出模型。利用能量变分原理,针对研制的超磁致伸缩致动器,建立了系统的磁-机械强耦合模型,并应用有限元法计算了致动器的输入电流与输出位移的关系曲线。计算值与实验值比较吻合,表明所建立的模型能够反映致动器的输入输出关系,模型对于设计超磁致伸缩器件、优化设计方案具有重要意义。

超磁致伸缩材料作动器的研制及特性分析

采用自制的TbDyFe超磁致伸缩材料设计并制作了主动振动控制用超磁致伸缩作动器 ,并对其偏置磁场、激励磁场、静态特性、动态特性和主动控制减振效果进行了测试和分析。研究结果表明 ,作动器工作应变在TbDyFe材料的线性区 ,其总伸缩量可达 70 μm。低频动态特性好 ,谐频影响小。在自适应滤波控制方式下使用该作动器对正弦振动进行主动控制减振 ,减振效果达到 30dB。磁场均匀性对作动器输出特性有明显影响 ,采用Ansys有限元软件精确设计作动器激励磁场 。

驱动频率对超磁致伸缩致动器的损耗和温升特性的影响

从超磁致伸缩材料的压磁效应入手,基于能量极小值条件和磁学理论,分析了磁化过程中磁弹性力对材料中磁场的影响,分析了不同驱动频率下材料的涡流损耗、磁滞损耗以及复数磁导率的频率特性,对致动器中的磁能损耗以及损耗带来的温升特性进行仿真实验。结果表明,利用涡流损耗的计算公式得到的结果与有限元仿真结果吻合较好,该公式可适用于超磁致伸缩材料在中低频下的损耗计算,而高频下复数磁导率的变化将增大材料内部磁场的滞回非线性。实验结果表明,致动器中超磁致伸缩材料轴向温度分布随驱动频率的变化而变化;实验验证了计算与仿真结果的正确性,在此基础上分析了强制水冷对致动器温升的控制,所得结论为超磁致伸缩致动器的设计提供参考。

超磁致伸缩致动器建模与控制仿真

设计一种超磁致精密伸缩致动器,对其构造和工作原理进行说明,并完成静态特性试验。通过对静态特性试验结果的分析,寻找到线性度比较理想的工作区间。在此基础上分析并建立所研制致动器的数学模型。为了提高致动器的响应速度和稳态输出,设计PID控制器进行校正,并对连续型和离散型的系统模型分别进行了仿真,得出控制器的控制效果,最后给出试验结果。对仿真结果和试验结果的对比分析,表明了所建立的超磁致伸缩致动器控制模型的有效性。

超磁致伸缩致动器控制系统的建模与仿真

结合磁致伸缩致动器的结构建立了致动器传递函数模型,对磁致伸缩致动器控制系统进行了仿真,设计了PID调节器,并在此基础上进行了离散化,得到了数字控制系统,为磁致伸缩致动器控制系统的硬件选型和硬软件设计提供前提条件.

超磁致伸缩致动器的输出位移与其控制研究

根据自动控制原理,结合磁致伸缩致动器的结构建立了致动器传递函数模型,在此基础上设计了以TMS320C31为核心的致动器位移闭环控制系统。该控制系统主要由硬件和软件两部分组成。进行了致动器位移控制系统的开环实验和闭环实验,实验结果表明,该系统稳定性可靠、精度高,为致动器在实际精密位移控制中的应用打下了基础。

超磁致伸缩致动器热变形影响及温控研究

在分析超磁致伸缩致动器热变形影响的基础上,结合实验论证,构建了在大电流、长时间且高精度场合下能对致动器进行整体温控的装置。设计并制作了一台超磁致伸缩致动器样机,在其电磁线圈的骨架中设置了内外两个水冷腔。通过恒温水的循环流动,带走线圈热量,以控制磁致伸缩棒和壳体的温度。进行了多组热变形对比实验,结果表明,致动器的整体温控装置有效地抑制了致动器的热变形影响,适合于大电流、高精度场合。

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.

超磁致伸缩致动器动态线性模型及实验验证

在电磁学原理和机械振动原理的基础上,通过分析致动器的Terfenol-D棒、弹簧和输出顶杆的机械阻抗,建立了致动器的动态线性模型,该模型描述了输出位移和输入电流间的关系。应用该模型对致动器的输出位移进行计算,计算结果与实验结果比较发现,在频率范围0～2200Hz区间内,可以采用该模型描述致动器在不同频率交流磁场作用下的输出位移特性,通过实验验证了模型的正确性和实用性。研究结果对于致动器的设计、优化与应用奠定了基础。

超磁致伸缩致动器结构分析及输出力特性研究

在超磁致伸缩致动器(GMA)工作原理的基础上,完成了具有分段式偏置磁场和油冷散热系统的GMA机械结构设计;建立了GMA的3D模型,利用有限元分析软件对其磁场和温度场进行了仿真研究,结果表明分段式偏置磁场有较好的偏置效果,油冷散热方式冷却效果明显;搭建了GMA输出力特性测试平台,分别对直流激励下GMA的静态输出力特性和低频交流激励下动态输出力特性进行了研究;实验表明GMA的输出力与激励电流正相关,在直流激励下,输出力具有磁滞非线性,且受温度影响较大,受外部约束力影响较小;在交流激励下,输出力能很好地跟踪交流信号频率,未出现倍频效应,说明分段式偏置效果较好,GMA具有较高的精度和动态响应速度。

超磁致伸缩致动器的小脑神经网络前馈逆补偿-模糊PID控制

针对超磁致伸缩致动器(GMA)在精密致动控制中存在的迟滞和位移非线性,提出了小脑神经网络(CMAC)前馈逆补偿结合模糊PID控制的新策略。通过小脑神经网络(CMAC)学习获得超磁致伸缩致动器动态逆模型用于对超磁致伸缩致动器迟滞非线性进行补偿;利用模糊PID控制降低小脑神经网络(CMAC)学习时的误差和抑制扰动,提高系统的跟踪控制性能,从而实现超磁致伸缩致动器的精密致动控制。仿真和实验结果表明:所采用的控制策略有效地消除了迟滞非线性的影响,系统的跟踪误差降低到了5%以下,而位移跟踪误差均方差仅为0.58。此外,这种策略的特点是学习和控制同时进行,控制系统能够适应被控对象动态特性的变化,使系统具有较强的鲁棒性,同时也能够有效地抑制外界的干扰,提升系统的自适应控制性能。

基于模糊树的Hammerstein-like模型对超磁致伸缩作动器的建模与控制

基于模糊树提出一种带有动态非线性环节的Hammerstein-like建模方法以描述超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性特性。所提方法能在一定频率范围内建立一个统一模型,使之不仅能较好地描述单一频率输入信号下的迟滞环,也能较好地描述复合频率输入信号下的迟滞环。同时,基于所提Hammerstein-like模型,设计前馈逆补偿+PID反馈控制策略,实现参考输入信号的跟踪实验,实验结果表明,该控制策略能较好地跟踪频率范围为1～150 Hz的参考输入信号,跟踪精度令人满意,满足工程要求。

超磁致伸缩作动器磁路优化设计

为改善磁路环境,提高超磁致伸缩材料(GMM)的工作性能,在分析超磁致伸缩作动器(GMA)工作原理及GMM特性的基础上提出以减小磁漏、增大磁场强度和提高磁场强度均匀性为设计原则,将GMM棒中轴线上的磁场强度作为评价标准.基于ansoft maxwell对磁路进行电磁学有限元分析,得出磁路中的关键部件导磁端盖和导磁片的结构参数对磁场强度大小和均匀性的影响规律,结合高斯磁通理论分析产生这种现象的原因,在此基础上对结构参数进行设计优化.实验结果显示结构参数优化后GMM棒中轴线上的最大磁场强由55.4 k A/m增大到70.35 k A/m,增幅为26.98%,磁场均匀率由44.22%增大到99.5%.研究表明:导磁端盖主要用来减小磁漏、提高磁场强度且过大或过小的直径和厚度都将会导致漏磁增多,U型导磁片主要用来改善磁路环境、提高磁场强度的均匀性.

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能。基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析。为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀。实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度。

喷油器用超磁致伸缩致动器设计方法和驱动波形研究

将超磁致伸缩材料的输出特点和喷油器的驱动需求相结合,设计并驱动适用于电控喷油器的超磁致伸缩致动器。针对常闭式电控喷油器仅需要单向和缩短位移的特点,结合超磁致伸缩材料在不同偏置磁场强度输出特性,提出了2种不同偏置磁场的致动器结构并分析了各自适用的电流输入方向;借助实验系统测试了2种致动器的稳态位移和响应时间,并分析了二者输出性能。针对传统直流方波驱动时致动器响应过慢的问题,借鉴电磁铁大电压快速开启的方法,设计了喷油器用超磁致伸缩致动器的驱动波形,并测试了该设计波形对强偏置致动器的驱动性能。研究结果表明,采用所设计的驱动电压,可将超磁致伸缩致动器的响应时间由4 ms降至1 ms,极大地提升了致动器的瞬态响应速度,同时,超磁致伸缩致动器可输出12~33μm的连续稳态位移,提供了更多的驱动效果。

超磁致伸缩作动器有限元建模与磁场分析

超磁致伸缩作动器(GMA)是一种新型的振动控制驱动器件,其内部磁场比较复杂。通过建立GMA的有限元模型,分析GMA内部磁路的开闭路对超磁致伸缩材料(GMM)棒磁场的影响,对GMA的导磁上下盖、导磁内壁和导磁体所用材料进行参数优化设计。根据优化的参数制造GMA,采用高斯计测量GMM棒外径轴向磁场分布。研究表明,GMA磁场分布的有限元分析与实验结果一致,GMM棒轴向磁场强度满足设计要求,磁场均匀性较好。

超磁致伸缩作动器的率相关振动控制实验研究

以Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器（Giant Magnetostrictive Actuators,GMA）的率相关迟滞非线性进行建模,其中改进的PI（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型和外因输入自回归模型（Autoregressive Model with Exogenous Input,ARX）分别表示模型的静态非线性部分和线性动态部分。在所建模型的基础上,提出了一种H∞鲁棒振动控制方法。GMA单自由度主动隔振平台的减振控制实验结果表明：H∞鲁棒振动控制方法可以在1个振动周期内,将频率范围为1-100 Hz的振动衰减88%-92%;而基于双滤波器的自适应滤波x-LMS算法收敛时间近似于1 s,在40-100 Hz的频率范围内可将振动衰减90%-92%,而在10-30 Hz的频率范围内只能将振动衰减43%-74%。因此所提出的H∞鲁棒振动控制方法收敛速度更快,控制频带更宽,而且不需要对不同频率激励下的控制通道进行重复建模。