超磁致伸縮執(zhí)行器驅(qū)動電源研究

《超磁致伸縮執(zhí)行器驅(qū)動電源研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、超磁致伸縮執(zhí)行器驅(qū)動電源研究張明杰南京航空航天大學(xué)2011、04摘要超磁致伸縮材料（GMM）具有磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)材料磁化狀態(tài)改變時(shí)，其尺寸將會產(chǎn)生顯著變化。利用超磁致伸縮材料研制的超磁致伸縮執(zhí)行器（GiantMagnetostrictiveActuator，GMA）具有定位精度高，響應(yīng)速度快，輸出力大，設(shè)計(jì)相對簡單等優(yōu)點(diǎn)。超磁致伸縮執(zhí)行器是利用磁致伸縮材料在磁場的激勵下產(chǎn)生形變來輸出力或轉(zhuǎn)矩，而磁場通過通電線圈產(chǎn)生，所以給線圈提供電流的恒流源的性能關(guān)系到整個(gè)執(zhí)行器的性能。本文主要介紹了比較完整的超磁致伸縮驅(qū)動恒流源的硬件設(shè)計(jì)原理，分為直流偏置恒流部分和交流恒流源部分。1.引言磁致伸縮效

2、應(yīng)，是指鐵磁體在被外磁場磁化時(shí)，其體積和長度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)引起的體積和長度變化雖是微小的，但其長度變化比體積變化大得多，它是焦耳在1842年發(fā)現(xiàn)的。其逆效應(yīng)稱為壓磁效應(yīng)，主要是指磁致伸縮材料發(fā)生形變或者受到應(yīng)力的作用時(shí)會引起與材料內(nèi)部產(chǎn)生形變，導(dǎo)致材料磁場發(fā)生變化，利用其壓磁效應(yīng)可制成各種傳感器。超磁致伸縮材料（GMM）是近年發(fā)展起來的一種新型機(jī)敏材料，具有應(yīng)變力大、強(qiáng)力、能量密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)異特點(diǎn)，其研究與應(yīng)用得到各國學(xué)著的關(guān)注。基于超磁致伸縮效應(yīng)研制的超磁致伸縮執(zhí)行器（GMA）具有廣闊的應(yīng)用前景。基于超磁致伸縮材料研究的微定位儀器、振動器、傳感器、閥門控制、機(jī)

3、械傳動機(jī)構(gòu)及聲納系統(tǒng)已在實(shí)際應(yīng)用中有所展現(xiàn)。2.超磁致伸縮材料的工作機(jī)理以及對驅(qū)動電源的要求2.1超磁致伸縮材料的工作機(jī)理磁致伸縮是指磁性體在外加磁場作用下,在磁化方向上產(chǎn)生伸長或縮短的現(xiàn)象。這是由于磁性材料中存在著大量的磁疇,各個(gè)磁疇的自發(fā)磁化方向不相同,在沒有加外磁場時(shí),自發(fā)磁化引起的形變互相抵消;外加磁場后,各個(gè)磁疇的自發(fā)磁化都轉(zhuǎn)向外磁場方向,于是產(chǎn)生了宏觀磁致伸縮。圖1為典型的超磁致伸縮材料在預(yù)壓力為零時(shí)的驅(qū)動特性曲線。由圖可知，超磁致伸縮材料的驅(qū)動磁場大約在0~2000Oe之間，而且在200~1800Oe之間線性度較好，所以要求驅(qū)動磁場工作在此區(qū)間。圖1超磁致伸縮材料的驅(qū)動特

4、性曲線2.2超磁致伸縮材料驅(qū)動電源要求由超磁致伸縮材料的驅(qū)動特性可知其驅(qū)動電源應(yīng)符合一定的要求：1）超磁致伸縮材料工作在200~1800Oe之間，所以驅(qū)動電源應(yīng)在一定的范圍連續(xù)可調(diào)，以使線圈能產(chǎn)生所需要的可連續(xù)變化的磁場；2）由于超磁致伸縮材料在正反向磁場中都是伸長的，故所產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動的頻率是驅(qū)動電流的兩倍（倍頻特性,如圖2),所以需要外加一個(gè)直流電源產(chǎn)生的偏置磁場來消除倍頻效應(yīng)；圖2磁致伸縮材料的倍頻和同頻現(xiàn)象3）超磁致伸縮材料對控制信號的響應(yīng)速度主要取決于控制電源輸出電流的響應(yīng)速度，所以電源應(yīng)有一定的頻響；4）由于超磁致伸縮材料主要工作于微、納米級，所以驅(qū)動電源需要很高的穩(wěn)定性，

5、紋波要小；5）驅(qū)動電源的負(fù)載為一感性負(fù)載，所以需要加以匹配電容進(jìn)行超前補(bǔ)償，并需要增加保護(hù)電路保證電源正常工作。3.超磁致伸縮材料驅(qū)動電源的原理與設(shè)計(jì)3.1恒流源的工作原理恒流源按照所采用的調(diào)整元件不同，可以分為電真空器件恒流源、晶體管恒流源和集成電路恒流源。按照調(diào)整方式不同可以分為直接調(diào)整型恒流源和間接調(diào)整型恒流源。間接調(diào)整型根據(jù)調(diào)整元件的工作方式不同又分為連續(xù)調(diào)整型恒流源、開關(guān)調(diào)整型恒流源和組合調(diào)整型恒流源。3.1.1直接調(diào)整型恒流源主要利用恒流器件（如鎮(zhèn)流器、恒流二、三極管）的非線性對負(fù)載電流進(jìn)行直接調(diào)整并使其保持穩(wěn)定，但其大多工作的范圍窄或者輸出電流?。▓D3），所以限制了這種恒

6、流源的使用。恒流二極管恒流二極管的伏安特性恒流三極管圖3橫流二極管及恒流三極管3.1.2間接調(diào)整型恒流源1）連續(xù)調(diào)整型恒流源如圖4所示，A是放大器，其同相端接基準(zhǔn)電壓，反相端接采樣電壓，由于放大器的作用最后使輸出電流在上的壓降與基準(zhǔn)電壓相等，從而保持電流恒定，因此得到，也就是。而且電流在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖4連續(xù)調(diào)整型恒流源原理圖圖5開關(guān)調(diào)整型恒流源原理圖2)開關(guān)調(diào)整型恒流源如圖5所示，和圖4相比，這里的（直流或交流）用過開關(guān)管和濾波電路對負(fù)載供電，同樣通過采樣電阻采樣，并通過反饋與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后控制開關(guān)管的通斷來控制電流的恒定。開關(guān)型恒流源適合與輸出功率大但對恒流性能要求不

7、高的場合。3）組合調(diào)整型恒流源如圖6所示，在開關(guān)調(diào)整穩(wěn)壓電流后緊接連續(xù)調(diào)整型恒流源電路，因此開關(guān)電源電路輸出的脈沖紋波經(jīng)連續(xù)調(diào)整電路調(diào)整后，輸出的電流比較穩(wěn)定。組合調(diào)整型恒流源輸出容量大，橫流性能好，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合于大功率、高穩(wěn)定的場合。圖6組合調(diào)整型恒流源原理圖下表表示各種調(diào)整類型的恒流源對比表：表1各類型恒流源對比項(xiàng)目電路類型穩(wěn)定性輸出容量相對電源變化的穩(wěn)定范圍相對負(fù)載變化的穩(wěn)定范圍電路結(jié)構(gòu)直接型基本電路中小中中很簡單間接型連續(xù)調(diào)整