[發(fā)明專利]超磁致微位移驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310692623.5
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103647473A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李勁松;楊慶新;張獻(xiàn);閆榮格;金亮;祝麗花
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/04
• 分類號: H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

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(shí)際工作特性對其兩部分：微位移驅(qū)動器和外圍電路進(jìn)行了較好地設(shè)計。

背景技術(shù)

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(kuò)大和控制精度的提高。超磁致伸縮材料(Tb_0.27Dy_0.73Fe_1.93)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(diǎn)，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。

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(jī)電耦合系數(shù)高、響應(yīng)速度快、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(jī)理的原因所普遍存在的一些缺點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

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(shí)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(jìn)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(shí)用價值。

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(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)行閉環(huán)控制，以通過對磁感應(yīng)強(qiáng)度的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對輸出位移的控制。

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(jī)構(gòu)、磁致伸縮棒、預(yù)緊機(jī)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(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)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。

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(diǎn)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(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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。

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(qiáng)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(qiáng)度的測量值反饋到計算機(jī)中并進(jìn)行實(shí)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(shí)現(xiàn)與上位微機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換或微機(jī)控制。在實(shí)際工作時，將整個實(shí)驗裝置置于防震平臺上，以防止周圍環(huán)境的干擾。

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(shí)用價值。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

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。

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。

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。

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(shí)施方式