基于Prandtl-Ishlinskii模型的GMA精密定位研究

摘要

精密工程技术在众多领域的快速发展和应用，促进了精密定位技术的极大进步，而随着应用的深入，又对其提出了更高的要求。微位移致动器作为精密定位系统的关键部分，在精密工程中起着至关重要的作用。超磁致伸缩材料（GMM）具有应变大、输出力大、功率密度高、响应速度快和可靠性高等优点，是制作微位移致动器的优良材料，利用GMM制作的超磁致伸缩致动器（GMA）在精密定位领域有着良好的应用前景。然而材料本身固有的磁滞非线性，使GMA在相应输入下的变形量是不确定的，较大程度限制了GMA的实用化。本文以精密定位技术为背景，阐述了微位移致动器在精密加工领域应用的重要意义。论述了磁致伸缩效应及其机理、超磁致伸缩材料的性能特点及其在微致动器件上的应用，为超磁致伸缩致动器的研究和应用提供了必要的基础。 ⑴设计了一种可以用于精密定位的超磁致伸缩致动器，介绍了其结构设计及工作原理。针对当前GMA磁滞建模方法存在的问题，提出改进的Prandtl—Ishlinskii模型，依据实验数据建立了GMA应力相关的磁滞非线性模型及GMA磁滞逆模型。 ⑵结合GMA的控制要求，以W78E058B单片机为核心建立了硬件控制平台，设计了与GMA系统功率驱动部分和检测部分相匹配的输入、输出通道，同时以12C总线代替并行总线设计键盘输入电路。 ⑶为补偿GMA的磁滞非线性，分别研究了比例迭代补偿控制和基于改进的Prandtl—Ishlinskii模型前馈补偿的比例控制两种控制策略，通过GMA的位移跟踪控制实验，对两种控制策略的控制精度和效率进行了实验对比。对比实验表明，本文提出的基于改进的Prandtl—Ishlinskii模型前馈补偿的比例控制在位移跟踪过程中，产生误差值小，能快速跟踪到位移值，且跟踪曲线平缓，在保证控制精度的同时可以极大地提高系统收敛速度，从而提高了程序的执行效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景及应用

1.1.1微型机械制造、超精密加工

1.1.2医疗科学

1.1.3生物工程

1.1.4光纤对接

1.1.5精密检测

1.1.6航空航天

1.2用于精密定位的致动器类型

1.3超磁致伸缩材料特性

1.4超磁致伸缩致动器应用研究现状

1.5研究内容及章节安排

1.5.1存在问题

1.5.2论文项目来源及主要研究内容

1.5.3论文工作安排

第2章磁致伸缩机理及GMA相关控制技术

2.1磁致伸缩效应及其机理

2.1.1磁致伸缩效应

2.1.2磁致伸缩的机理

2.2 GMM的基本特性

2.2.1磁致伸缩特性

2.2.2动态特性

2.2.3△E效应

2.2.4预压力特性

2.2.5温度特性

2.3 GMA工作原理及其结构设计

2.4 GMA控制技术

2.5本章小结

第3章 GMA的磁滞模型建立

3.1 GMA建模方法

3.1.1 Preisach模型

3.1.2 Jile-Atherton模型

3.2改进的Prandtl-Ishlinskii模型

3.2.1传统的Prandtl-Ishlinskii模型

3.2.2改进的Prandtl-Ishlinskii模型

3.3 GMA应力相关的磁滞非线性建模

3.4 GMA磁滞逆模型

3.5本章小节

第4章 GMA控制器硬件设计

4.1平台总体框架

4.2 LVDT测微仪

4.3驱动电源

4.4控制器硬件电路设计

4.4.1微处理器

4.4.2 D/A转换模块

4.4.3 A/D转换模块

4.4.4键盘模块

4.4.5 FM12232液晶显示模块

4.5硬件抗干扰设计

4.6本章小结

第5章 GMA精密定位控制方法研究

5.1 GMA控制模型

5.1.1电流强度模型

5.1.2磁场控制模型

5.2位移控制模型

5.3比例迭代控制方法

5.4磁滞逆补偿控制方法

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2主要创新点

6.3研究展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间取得的研究成果