超磁致伸缩致动器的输出位移与其控制研究

　　1　引　　言

　　超磁致伸缩致动器是利用稀土-铁磁致伸缩材料的磁致伸缩量大、能量密度高的特点设计的新型致动器。它广泛用于精密加工中位移的定位、集成电路板的制造等微位移控制领域。目前对超磁致伸缩致动器和驱动系统的研究大都集中在器件或系统的结构设计、控制模型及开环测试系统的实现等方面[123],而没有实现闭环系统位移的自动控制的研究。文献[1]提出了基于材料工作原理的驱动器设计方法;文献[2]进行了器件及实验系统设计,并进行了开环输入电流与输出位移实验;文献[3]进行了微位移驱动系统的研究,也仅限于开环电流与位移　　实验。但是致动器在精密控制领域的实际使用需要其高的位移控制精度,并能实现被控位移量的自动控制。文中基于实现被控量的自动控制和调节的思想,为磁致伸缩致动器设计出了合适的控制系统,实现了位移量的自动测量。

　　2　超磁致伸缩致动器及传递函数模型

　　超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料,它有应变量大、响应速度快和输出力大等[425]特点。利用这些特点可以研制新型的致动器。

　　图1是超磁致伸缩致动器的结构示意图。其工作原理为:驱动线圈通上电流,产生驱动磁场。改变驱动电流的大小,从而改变驱动磁场的大小,进而磁致伸缩棒的长度发生变化,即可推动顶杆移动,从而实现位移输出,使电磁能转变为机械能。

　　超磁致伸缩致动器(giant magnetostrictive ac2tuator, GMA)的建模原理可由图2表示[6]。设N、ls分别为激励线圈的匝数、长度;U、I为输入电压、电流;设lr、r、Ar、ρ、CD分别为磁致伸缩棒的长度、半径、横截面积、质量密度、内部阻尼系数,Kr、Cr、Mr分别为GMM棒的等效刚度系数、等效阻尼系数、等效质量;设Kl、Cl、Ml分别为负载(包括弹簧、顶杆、质量负载)的等效刚度系数、阻尼系数、质量。

　　GMA的输出位移和输入电流的传递函数为[6]:

　　3　致动器控制系统的硬软件实现

　　3.1　系统硬件设计

　　致动器控制系统要求实现致动器输出位移的自动进给,同时具有可控性好,可控精度高,稳定性好的特点。故该控制系统采用闭环数字控制系统[6],结构框图如图3所示。

　　控制系统以TMS320C31芯片为核心,构成了一个DSP控制板。TMS320C31是浮点型数字信号处理器,其指令及数据字长32bits,地址宽度24bits,指令周期为60ns,并具有可用的寄存器组、程序高速缓存、专用的辅助寄存器运算单元和内部双存取存储器;并在C30的基础上增加了程序引导功能,其程序引导功能使TMS320C31方便的将那些存储单元和慢速的EPROM或其他标准器件中的程序装载到快速的片内RAM来运行,这样可以在基本不降低运行性能的条件下减少芯片,压缩体积,降低成本。