超磁致伸縮執(zhí)行器的基礎(chǔ)理論與實驗研究.pdf

1、超磁致伸縮材料（簡稱GMM）是一種具有雙向可逆換能效應(yīng)的新型功能材料，利用其正效應(yīng)可制作執(zhí)行器（GMA），利用其逆效應(yīng)可制作傳感器。GMA相比壓電類執(zhí)行器具有承載大、快速響應(yīng)、可靠性高、低壓驅(qū)動等特點，在精密定位、主動降噪減振、流體控制（泵、閥）等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以直動型GMA為對象，對GMA的設(shè)計、性能優(yōu)化和非線性遲滯控制進行了研究，成功研制了超磁致伸縮精密微位移執(zhí)行器原型及GMA的綜合實驗平臺，其成果對GMM執(zhí)行器的設(shè)計

2、和應(yīng)用具有普遍的指導(dǎo)意義；另外，本文研究了偏置條件對GMA的磁致伸縮逆效應(yīng)性能的影響，這對自感知GMA的設(shè)計有重要的參考價值，同時對自感知GMA的實現(xiàn)方法進行了一些探索性的研究。 第一章介紹了現(xiàn)代執(zhí)行器的發(fā)展背景，綜合論述了國內(nèi)外超磁致伸縮材料的應(yīng)用和自感知執(zhí)行器的研究現(xiàn)狀，指出了目前GMA研究存在的一些問題，提出了本論文的選題意義，說明了論文的主要研究內(nèi)容。 第二章闡述了超磁致伸縮材料的基本特性，應(yīng)用磁疇理論對磁致伸縮

3、現(xiàn)象進行了解釋，給出了小信號激勵環(huán)境下GMM的線性壓磁方程，分析了GMM的幾個關(guān)鍵參數(shù)的含義及其相互的聯(lián)系。 第三章系統(tǒng)地闡明了直動型GMA的設(shè)計原理和方法，包括GMA的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、GMM棒的幾何參數(shù)設(shè)計及其橫截面上的磁場分布研究、線圈的幾何參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化、磁路設(shè)計、預(yù)壓力裝置等，設(shè)計了一種線圈內(nèi)腔水冷式的GMA及其溫控系統(tǒng)。 第四章建立了基于虛擬儀器的GMA綜合實驗平臺。通過對GMA的靜態(tài)特性實驗研究，給出了預(yù)壓應(yīng)力

4、、偏置磁場、負載等因素對GMA性能的影響規(guī)律；建立了集中參數(shù)的GMA動力學(xué)模型，通過頻響測量，得到了GMA的傳遞函數(shù)；實驗測量了GMA的電阻抗隨頻率變化的特性，得到了GMA的磁機轉(zhuǎn)換系數(shù)。本章不僅驗證了研制的GMA原型的部分設(shè)計指標(biāo)，對GMA的性能優(yōu)化和正確使用有重要的參考價值。 第五章首先闡明了經(jīng)典Preisach模型的概念，建立了GMA的兩種Preisach數(shù)值模型（密度函數(shù)法和F函數(shù)法），研究表明F函數(shù)法的遲滯預(yù)測精度高于

5、密度函數(shù)法，提出了一種：Preisach模型的實時數(shù)字補償算法，建立了基于Preisach前饋補償模型的PID控制算法，實驗驗證了該方法相對于開環(huán)控制和普通PID可顯著提高GMA的響應(yīng)速度、位置跟蹤和軌跡跟蹤能力，使GMA原型達到了微位移控制的設(shè)計指標(biāo)。 第六章首先設(shè)計了一種實驗方法驗證了GMA中磁致伸縮逆效應(yīng)及GMA作力傳感器的可行性，揭示了偏置條件（預(yù)壓應(yīng)力和偏置磁場）對GMA的正效應(yīng)和逆效應(yīng)性能的不同影響規(guī)律，提出了一種分