磁控形状记忆合金高精度驱动器研究

摘要.................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. I I 第1章绪论. (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 MSMA及其驱动器的研究现状 (1)

1.2.1 MSMA驱动器的研究现状 (1)

1.2.2 MSMA研究现状 (5)

1.2.3 MSMA的磁控记忆特性和驱动器工作原理 (6)

1.2.4 MSMA的本构模型 (8)

1.3 MSMA的磁滞非线性及其控制方法 (11)

1.4 本文的研究内容 (12)

第2章磁控形状记忆合金特性实验研究 (14)

2.1 MSMA材料测试实验原理 (14)

2.2实验材料和测试设备介绍 (14)

2.2.1实验样品 (14)

2.2.2实验设备 (15)

2.3 MSMA实验数据分析 (16)

2.4本章小结 (23)

第3章磁控形状记忆合金驱动器结构设计 (24)

3.1 MSMA驱动器磁路设计 (24)

3.1.1磁路中软磁材料的选择 (24)

3.1.2磁路的结构 (25)

3.1.3 线圈匝数的计算 (26)

3.2磁路系统仿真 (27)

3.3 MSMA驱动器恢复形变的方式 (29)

3.4 磁控形状记忆合金驱动器结构模型 (31)

3.5本章小结 (32)

第4章磁滞非线性建模方法的研究 (33)

4.1 经典磁滞非线性模型 (33)

4.1.1 基于唯象现象的磁滞非线性模型 (34)

4.1.2 基于物理机制的磁滞非线性模型 (37)

4.2基于神经网络的磁滞非线性模型 (38)

4.2.1 神经网络的结构设计 (39)

4.2.2 神经网络的学习算法 (41)

4.3 磁滞非线性模型的建立 (42)

4.4 本章小结 (45)

第5章MSMA驱动器控制方法和仿真 (46)

5.1 磁控形状记忆合金驱动器逆模型的建立 (46)

5.2 磁控形状记忆合金驱动器的控制方法 (49)

5.2.1 PID控制方法 (49)

5.2.2 前馈逆补偿控制方法 (51)

5.2.3 基于逆模型的PID复合控制方法 (53)

5.2.4 模糊PID控制和基于逆模型的模糊PID复合控制方法 (54)

5.3 五种控制方法比较 (60)

5.4 本章小结 (61)

第6章总结与展望 (62)

6.1 论文工作总结 (62)

6.2 未来工作方向 (63)

6.3 MSMA驱动器展望 (63)

致谢 (64)

参考文献 (65)

附录1攻读硕士学位期间发表的论文与成果 (71)

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目 (72)

武汉科技大学硕士学位论文

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

精密定位技术是精密工程领域的关键技术之一，超精密加工、半导体光刻、微型机械、精密测量、生物细胞操作等都与精密定位技术密不可分[1]。在精密定位系统中，微驱动器是关键的设备，其所能达到的控制精度往往决定了系统的精度。传统方法设计的微驱动器，传动结构复杂，误差较大，难以满足对高精度的要求。因此，人们利用智能材料、功能材料物性的转变，能够产生微小的位移，制造了微驱动器。目前，用于制作微驱动器的材料主要有超磁致伸缩材料、压电陶瓷、电致伸缩材料、温控形状记忆合金以及磁控形状记忆合金等。其中，电致伸缩驱动器和磁致伸缩驱动器虽具有较高的响应频率，但可逆应变较小，限制了它们在大行程微位移控制领域的应用。超磁致伸缩驱动器虽然变形率较大，但其控制精度不高；温控形状记忆合金驱动器具有大应变的优点，但其响应频率低，无法满足现实中对高效率的要求。磁控形状记忆合金是一种具有双向形状记忆功能的新型智能材料[2]，具有变形率大、响应频率高、可控性好、能量转换效率和功率密度高的特点，被誉为未来制造理想驱动器最佳材料[3]。因此相对于超磁致伸缩、压电陶瓷、电致伸缩材料、温控形状记忆合金，采用磁控形状记忆合金制作的微位移驱动器，在精密定位领域应用前景广阔[4-8]。

但是，磁控形状记忆合金存在着磁滞非线性，影响了驱动器的控制精度[9-12]，目前，国内外学者对磁控形状记忆合金的研究主要集中在微结构、材料成分、磁感生应变、形状记忆效应、驱动器应用、传感特性和传感器应用等方面[13]，对进一步提高磁控形状记忆合金驱动器的精度研究虽取得了一些可喜成果，但还远不能满足现代技术对高精度发展的需求，因此对磁控形状记忆合金驱动器的磁滞非线性建模和控制方法进行研究，进一步提高磁控形状记忆合金驱动器的控制精度，具有十分重要的理论意义和应用价值。

1.2 MSMA及其驱动器的研究现状

1.2.1 MSMA驱动器的研究现状

由Ullakko K创建的AdaptaMat公司，能够对外提供性能优良的MSMA材料