磁感应强度控制的超磁致微位移器电源研究

    超磁致伸缩材料是一种新型功能材料,应用于微位移器具有磁致伸缩应变大(λ≥800×10-6),精度高(亚微米级),响应速度快(达微秒级),输出力大等特点。目前,超磁致伸缩微位移器在航空航天、工业加工、微机电系统等领域有着广泛的应用前景。作为电磁能/机械能的能量转换器件,它的静态和动态特性很大程度上受驱动电源的影响。因此,驱动电源技术是超磁致微位移器应用研究的必要内容之一。

    1　传统控制方法的不足与磁感应强度控制原理

    传统的超磁致微位移器驱动电源多把超磁致微位移器等效为电感元件,对微位移器进行磁场强度控制。微位移器存在能量的转换,其动态电路参数随工作频率、输出力等因素变动;同时,超磁致伸缩材料应变系数与磁场强度间存在着迟滞性和非线性。以上因素导致传统的驱动电源对微位移器的控制精度不够理想^[1]。

    Jorgen等人提出用磁极化强度作为负反馈控制量的设想。由磁致伸缩现象的唯象机理,磁极化强度与应变的关系可以表示为^[2,3]

式中　ΔL为超磁致伸缩材料变形量;S为超磁致伸缩材料端面面积;J为超磁致伸缩材料磁极化强度;μ为超磁致伸缩材料绝对磁导率;μ₀为真空磁导率;K为比例系数。

由于磁极化强度测量较难,考虑到铁磁质材料中的磁感应强度与磁极化强度十分接近,式(1)可简化为

式中　B为超磁致伸缩材料磁感应强度。

    由式(1)、(2)可知,选取磁感应强度作为控制量,能减小超磁致伸缩材料迟滞特性对应变的影响,有效地控制微位移器的动态过程。基于此原理设计的驱动电源,可提高超磁致伸缩微位移器的静态和动态控制精度。

    2　驱动电源的设计与实现

    驱动电源的研制是在一定频率范围内,对应输入控制电压的信号幅度,选取磁感应强度作为控制量,对微位移器进行控制,使其产生正比于信号幅度的位移。

    2.1　驱动电源的设计目标与方案

    根据课题需要,驱动电源与微位移器构成的系统须达到的定量指标为

    在驱动电源研制过程中,应着重解决以下3个问题:

    (1)　为了保证微位移器的线性输出范围,驱动电源的输出控制电流应连续可调,并留有一定余量;

    (2)　驱动电源能够对磁感应强度进行采样和处理,使输出的误差信号正比于微位移器输出,从原理上提高系统线性;

    (3)　为了使微位移器在较宽的频率范围内能正常工作,驱动电源应具有较宽的频响(通常比微位移器工作频率高1个数量级)。