超磁致伸縮執(zhí)行器驅動電源研究

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

1、超磁致伸縮執(zhí)行器驅動電源研究張明杰南京航空航天大學2011、04摘要超磁致伸縮材料（GMM）具有磁致伸縮效應，當材料磁化狀態(tài)改變時，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，響應速度快，輸出力大，設計相對簡單等優(yōu)點。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系到整個執(zhí)行器的性能。本文主要介紹了比較完整的超磁致伸縮驅動恒流源的硬件設計原理，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，是指鐵磁體在被外磁場磁化時，其體積和長度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮效應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。其逆效應稱為壓磁效應，主要是指磁致伸縮材料發(fā)生形變或者受到應力的作用時會引起與材料內部產(chǎn)生形變，導致材料磁場發(fā)生變化，利用其壓磁效應可制成各種傳感器。超磁致伸縮材料（GMM）是近年發(fā)展起來的一種新型機敏材料，具有應變力大、強力、能量密度高、響應速度快等優(yōu)異特點，其研究與應用得到各國學著的關注?；诔胖律炜s效應研制的超磁致伸縮執(zhí)行器（GMA）具有廣闊的應用前景?；诔胖律炜s材料研究的微定位儀器、振動器、傳感器、閥門控制、機

3、械傳動機構及聲納系統(tǒng)已在實際應用中有所展現(xiàn)。2.超磁致伸縮材料的工作機理以及對驅動電源的要求2.1超磁致伸縮材料的工作機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,各個磁疇的自發(fā)磁化方向不相同,在沒有加外磁場時,自發(fā)磁化引起的形變互相抵消;外加磁場后,各個磁疇的自發(fā)磁化都轉向外磁場方向,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壓力為零時的驅動特性曲線。由圖可知，超磁致伸縮材料的驅動磁場大約在0~2000Oe之間，而且在200~1800Oe之間線性度較好，所以要求驅動磁場工作在此區(qū)間。圖1超磁致伸縮材料的驅動特

4、性曲線2.2超磁致伸縮材料驅動電源要求由超磁致伸縮材料的驅動特性可知其驅動電源應符合一定的要求：1）超磁致伸縮材料工作在200~1800Oe之間，所以驅動電源應在一定的范圍連續(xù)可調，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)生的機械運動的頻率是驅動電流的兩倍（倍頻特性,如圖2),所以需要外加一個直流電源產(chǎn)生的偏置磁場來消除倍頻效應；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速度主要取決于控制電源輸出電流的響應速度，所以電源應有一定的頻響；4）由于超磁致伸縮材料主要工作于微、納米級，所以驅動電源需要很高的穩(wěn)定性，

5、紋波要小；5）驅動電源的負載為一感性負載，所以需要加以匹配電容進行超前補償，并需要增加保護電路保證電源正常工作。3.超磁致伸縮材料驅動電源的原理與設計3.1恒流源的工作原理恒流源按照所采用的調整元件不同，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。按照調整方式不同可以分為直接調整型恒流源和間接調整型恒流源。間接調整型根據(jù)調整元件的工作方式不同又分為連續(xù)調整型恒流源、開關調整型恒流源和組合調整型恒流源。3.1.1直接調整型恒流源主要利用恒流器件（如鎮(zhèn)流器、恒流二、三極管）的非線性對負載電流進行直接調整并使其保持穩(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間接調整型恒流源1）連續(xù)調整型恒流源如圖4所示，A是放大器，其同相端接基準電壓，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連續(xù)可調。圖4連續(xù)調整型恒流源原理圖圖5開關調整型恒流源原理圖2)開關調整型恒流源如圖5所示，和圖4相比，這里的（直流或交流）用過開關管和濾波電路對負載供電，同樣通過采樣電阻采樣，并通過反饋與基準電壓進行比較，然后控制開關管的通斷來控制電流的恒定。開關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）組合調整型恒流源如圖6所示，在開關調整穩(wěn)壓電流后緊接連續(xù)調整型恒流源電路，因此開關電源電路輸出的脈沖紋波經(jīng)連續(xù)調整電路調整后，輸出的電流比較穩(wěn)定。組合調整型恒流源輸出容量大，橫流性能好，但是電路結構復雜，適合于大功率、高穩(wěn)定的場合。圖6組合調整型恒流源原理圖下表表示各種調整類型的恒流源對比表：表1各類型恒流源對比項目電路類型穩(wěn)定性輸出容量相對電源變化的穩(wěn)定范圍相對負載變化的穩(wěn)定范圍電路結構直接型基本電路中小中中很簡單間接型連續(xù)調整