超磁致伸缩微位移执行器控制方法的研究

　　1　引　　言

　　铁磁材料在磁场中磁化时,会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短,这一现象称为磁致伸缩现象。早在1840年,Joule就发现了镍(Ni)的磁致伸缩现象。由于其应变量小(10-5～10-6),长期以来主要用于制造超声波振子。近年来,发现Laves相稀土-铁化合物RFe2(R代表稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Sm、Tm等)的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的100多倍,这种材料被称为超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料具有伸缩应变大(λ=800～1600ppm),机电耦合系数高(≈0.73),响应速度快(达微秒级),输出力大等特点,因此,它的出现为新型执行器的研制与开发又提供了一种行之有效的方法,并引起了国际上的极大关注[1][2]。

　　超磁致伸缩微位移执行器的驱动执行对象—超磁致伸缩材料是铁磁性功能材料,它的特性存在着迟滞特性和非线性。同时,执行器内部磁路的其它元件也存在一定的非线性,因此,有必要对超磁致伸缩微位移执行器的控制方法进行深入的研究并找出其内在规律,以选取合适的参数作为控制量,提高超磁致伸缩微位移执行器的控制精度,充分发挥超磁致伸缩材料的优异性能。

　　2　超磁致伸缩材料的驱动原理

　　磁致伸缩现象的产生是由于铁磁和亚铁磁材料磁化状态的改变而引起长度和体积发生微小的变化,因此超磁致伸缩材料的驱动原理与压电、形状记忆合金等功能材料不同,一般可分为电磁式和组合式两种驱动形式,图1给出了两种驱动原理简图。

　　电磁式驱动原理如图1(a)所示:导磁体与超磁致伸缩棒组成闭合磁路,以减少磁泄漏,预压弹簧的作用是给超磁致伸缩棒提供一定的预压缩力,通过改变可控恒流源的驱动电流改变超磁致伸缩棒的磁化状态以产生相应的微位移。此种驱动方式的优点是结构相对简单、成本低、并且磁路中的非线性元件少,缺点是体积相对较大、发热现象比较严重。

　　图1(b)是超磁致伸缩材料的组合式驱动原理简图。它与电磁式的差别主要是在磁路中加入一块永久磁铁以提供一定的偏磁场,这样可以缩小驱动线圈的体积,使结构较为紧凑,同时驱动线圈的发热也较电磁式少。这种组合式驱动方式的缺点是:成本较高、磁路设计复杂,并且磁路中的非线性较为严重。

　　3　基于电流的控制方法的原理分析

　　超磁致伸缩材料若采用电磁式驱动原理图1(a),磁致伸缩方程和磁路方程的表达式如下(忽略热变形和漏磁的影响)[3][4]:

　　由(6)式可知:在较大范围内,驱动电流I与超磁致伸缩棒的伸长量ε近似呈线性关系。但是超磁致伸缩棒属于铁磁性材料,因此它的磁导率是变化的,并存在一定的迟滞特性。同时,导磁体的磁导率也存在一定的非线性,所以严格来讲,超磁致伸缩棒的伸长量与驱动电流的关系存在一定的迟滞特性和非线性。