基于ARM的超磁致伸缩微驱动器的偏置与驱动电路设计

　    0　引言

　　随着超精密加工及驱动技术向高精度、宽行程、高频响和智能化发展的趋势，采用新型功能材料设计超精密驱动器一直是超精密加工和驱动领域的研究热点。超磁致伸缩材料是一种新型的更加高效磁 (电)能-机械 (声)能的转换材料，其具有大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等优点。因此其作为一种战略性功能材料，在超精密加工以及驱动技术中有着广阔的应用前景。

　　超磁致伸缩驱动器基于超磁致伸缩材料在不同磁场强度条件下产生不同应变的特性，在微驱动领域得到了广泛的应用。驱动器在工作状态下，通常需要两组外加磁场，一组为偏置磁场，以确保超磁致伸缩材料工作在良好的线性区;另一组是驱动磁场，通过调整该磁场强度的大小使得材料发生相应的应变，以产生不同的驱动输出行程。外加磁场一般由永磁铁或电磁线圈提供，本文就这一需求研究和设计了一种基于ARM的压控电流源来控制线圈产生磁场的大小，进而达到对超磁致伸缩驱动器的动态控制。

　　1　驱动器驱动方式设计

　　超磁致伸 缩微 驱动器的工作是 基 于 超 磁 致 伸 缩 材 料 的Joule效应，即材料的长度随着外加磁场的变化而变化，又被称为磁致伸缩效应。其本质是铁磁材料中的磁畴在外磁场作用下，磁畴内的磁矩发生旋转，各个磁畴的磁致伸缩形变方向都逐渐排列在外磁场方向，使得材料的磁致伸缩值不断增大。但这种增大不是无限的，当外磁场增加到一定的数值时，铁磁体的磁畴基本与外磁场方向平行，铁磁材料将不再伸长，即达到了饱和磁致伸缩状态。图1是由超磁致伸缩材料生产商提供的测量数据得到的材料应变-磁场强度特性曲线。由曲线可知，在8Mpa预应力作用下，超磁致伸缩材料在外磁场作用下，可获得线性度较好的磁致伸缩特性。

　　在点1到点2区间，dλ/d　H的值接近常量，且较大，微驱动器工作在该区间可获得较大的行程和良好的控制。因此，对于微驱动器中的超磁致伸缩材料，必须提供一个偏置磁场使其初始工作状态移到这个线性工作区间，另外再施加一个驱动磁场来控制微驱动器的驱动行程变化。对微驱动器中的超磁致伸缩棒的磁场偏置和驱动形式主要有两种，如图2所示。一种是纯线圈偏置与驱动形式，即采用两组线圈分别接通电流而产生偏置磁场和驱动磁场;另一种则是采用永磁铁代替线圈对超磁致伸缩棒进行偏置。两者的偏置磁场均匀性都较好，前者的结构比较简单，控制较灵活，但若线圈效率低，则存在能耗高和发热量大的问题。而后者结构设计较复杂，控制灵活性不高，但能耗相对较小，偏置水平较高。