机敏结构振动主动控制的SMA交替驱动装置与方法

摘要

本发明涉及一种机敏结构主动控制的形状记忆合金驱动装置与方法。本实验装置将安装有多路形状记忆合金驱动单元的实验模型吊装在铝合金外框架上，通过连接功率放大器的函数信号发生器驱动固定在铝合金外框架上的激振器，使与激振器相连接的机身模型产生振动响应，通过压电传感器采集振动响应信号，经过插有数据采集卡的计算机运算产生输出至多路驱动恒流源，交替驱动复合于实验模型结构的多路形状记忆合金驱动单元。本发明方法为通过上位机的控制算法设置不同的控制策略，通过多路驱动恒流源交替驱动多路形状记忆合金驱动单元，达到抑制结构振动响应的效果。本装置与方法结合软件开发和功能设计，完全实现了多路多机的恒流驱动能力，且具有使用方便和可靠稳定的特点，从而为基于形状记忆合金机敏材料的智能结构主动控制研究，提供了重要的实验手段和组成单元。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机敏结构主动控制的形状记忆合金（SMA）驱动装置和方法，尤其是对一种复合SMA驱动单元的机敏结构主动控制的驱动装置和方法。

背景技术

   随着航天技术的发展，大型柔性结构在航天器的构成与应用越来越多，如太阳能帆板、大型卫星天线、空间机械臂等，由于上述空间柔性结构需要在长期运行期间保证很高的运行精度，通常对振动环境有着极为严格的要求，而这类结构一般具有低刚度小阻尼，固有频率较低和模态密集的特征，同时太空环境又无外阻，因此极易受到扰动影响而发生振动，且使得绝大数常规振动控制方法难以达到控制要求。针对航空航天系统的性能要求和空间结构的振动特点，当前以智能材料结构概念实现振动主动控制，由于技术的高难度和重要的应用价值，获得了国内外相关领域科研人员的广泛重视，尤其以基于智能材料结构思想构建主动减振智能结构，实现结构的振动响应与噪声辐射的主动控制，形成振动控制领域的研究热点和最为活跃的一个方向，当前研究范围已涉及到军事与民用的诸多领域。

由智能材料构成的智能器件（如阻尼器、驱动器等）构造简单，调节驱动容易，耗能小，反应迅速，在结构振动控制中有广阔的应用前景。当前智能结构研究中广泛采用了形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）、压电材料和磁致伸缩材料等机敏材料；其中，形状记忆合金以其特有的形状记忆、超弹性、大变位、高耗能、良好耐腐蚀及耐疲劳性能等独特优势，被认为是结构控制中最有前途的感知和驱动材料之一。

基于SMA的弹性模量随温度变化而改变的特性，可以实现对结构振动的主动控制；当前研究过程的基本思路，是将SMA机敏致动材料复合到结构中去，通过针对SMA的电流驱动和致热，并利用SMA机敏材料的形状记忆效应，以改变复合材料的力学特此和刚度，从而实现结构振动主动控制，由此SMA驱动源特性的优劣程度，很大程度上决定了振动控制的可行性和效率性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机敏结构主动控制的形状记忆合金（SMA）驱动装置和方法，对SMA驱动单元进行控制，实现其形状记忆、超弹性、大变位、高耗能、良好耐腐蚀及耐疲劳性能等独特优势，抑制热滞现象，提高SMA动态响应速度，达到抑振的效果。

一种机敏结构主动控制的SMA驱动装置，主要由固定支撑架构、安装有多路SMA驱动单元的实验模型结构、一块A/D数据采集卡、一台任意函数信号发生器、一台信号功率放大器、两台多路交替驱动恒流源、一套多组PZT传感器网络、一台激振器、多路电荷放大器、一台高性能计算机、一台数字示波器等组成。其特征在于所述计算机通过两台多路交替驱动恒流源连接多路形状记忆合金驱动单元，计算机带有采集卡并连接数字示波器，A/D数据采集卡通过多路电荷放大器连接多组PZT传感器网络，多组PZT传感网络粘贴在实验模型结构上，所述任意函数信号发生器经信号功率放大器和激振器连接，通过连杆与实验模型结构连接；通过两台多路交替驱动恒流源实现对多路形状记忆合金驱动单元不同控制策略的驱动；使用橡皮绳将安装有多路形状记忆合金驱动单元的实验模型吊装在固定支撑架构上；任意函数发生器发出的信号经功率放大器放大后输入激振器，激振器对模型结构施加激励；粘贴在模型结构上的多路PZT传感器网络检测到结构振动信号，经过多路电荷放大器调理，输出到以PIC接口连接到计算机的高速A/D采集卡，其后依照相应的控制策略控制多路交替驱动恒流源驱动多路形状记忆合金驱动单元工作，从而对实验模型产生控制作用力，实现对其结构振动响应的实时抵消，以达到主动消除或降低实验模型结构振动响应的目的。

为达到上述目的，实现多路交替驱动SMA的恒流源装置，本发明采用如下技术方案：

多路宽量程SMA驱动恒流源，由仪器外壳、单片机和外围电路组成，仪器外壳设有前面板、后面板，其前面板布设有四路恒流源输出接口及液晶显示，后面板布设有电源接口、风扇设备、以及串行485通信接口；所述的单片机和外围电路：一片Microchip公司的PIC18F4620单片机的PA/PB脚经一个D/A转换芯片TLC5615和基准电压芯片LM385-2.5连接组成的数模转换电路、与一个放大器OP07连接组成的放大和跟随电路、放大器OP07经一个TI公司功率放大器OPA549芯片与高精度采样电阻连接组成的恒流源电路、一个TOPWAY的320*240的LM2088EFW-C液晶屏连接单片机的PD脚组成的人机接口电路、单片机的RC6/RC7脚连接由美信485构成的通信接口电路，单片机的VCC脚连接一个稳压源LM7805CK构成。基准电压芯片LM385-2.5的8脚接D/A芯片TLC5615的参考电压REFIN输入端，TLC5615的SCLK、DIN两个个引脚分别与单片机PIC18F4620的PB2、PB1相连接，TLC5615的CS脚通过20脚插排分别与单片机PIC18F4620的PB3~PB7端口和PA0~PA2相连接，通过程序选择各路恒流源的片选信号CS。放大器OP07的正向端接在TLC5615的Vout电压输出端，经跟随放大电路后输入V/I转换模块OPA549的4脚。根据V/I转换电路中采用的采样电阻的阻值大小，设定跟随与放大电路的倍数。V/I转换模块OPA549将来自OP07的电压信号输入转换，其输出端接液晶在前面板显示，并在前面板的输出端子输出。实验证明本发明设计的机敏结构振动控制SMA驱动恒流源，恒流效果好、控制精度高，适宜分布式多通道控制实验要求，经过长时间的实际测试和运行，稳定性良好，并具有很高的可靠性。

机敏结构主动控制的SMA交替驱动装置，其特征在于所述多路SMA驱动单元通过多次试验，根据实验模型结构的物理形状，使每个SMA驱动单元与实验模型有5个连接点，通过螺丝与模型结构连接；并使每一路SMA驱动单元与多路驱动恒流源连接，使用于多种控制策略的实验要求。

一种机敏结构主动控制的 SMA 交替驱动方法，其特征在于操作步骤如下：

（1）调整安装有多路SMA驱动单元的实验模型结构吊装高度和位置，将激振器和实验模型结构相连接；

（2）启动任意函数信号发生器和信号功率放大器，并设置激励信号的频率和幅值；

（3）启动激振器，通过电荷放大器调整增益，对实验模型结构进行激振；

（4）开启数字示波器及高性能计算机，通过多组PZT传感器网络获取实验模型结构振动响应信号；

（5）根据结构振动信号，选择不同的控制策略，控制多路交替驱动恒流源对多路SMA驱动单元进行交替驱动；

（6）从高性能计算机或示波器观测安装有多路SMA驱动单元的实验模型结构振动控制效果；

本发明与现有技术相比较具有如下突出实质性特点和显著优点：

（1）本发明多路交替驱动横流源具有很好的恒流控制效果，对于智能结构中形状记忆合金丝SMA的驱动效果良好，并适用于其它需要多路大电流恒流源的科研场合。为基于SMA机敏材料的智能结构主动控制研究，提供了重要的实验手段和组成单元。

（2）采用机敏结构中多路驱动恒流源交替驱动SMA驱动单元，可以降低 SMA 热滞现象，提高 SMA 动态响应速度，达到抑制振动的效果。

（3）本发明所完成的实验装置及所提出的实验方法，可用于验证各种驱动SMA机敏结构的振动主动控制算法有效性及实用性，并灵活实现各种控制策略，为基于SMA驱动单元的振动主动实验研究提供了一个开放的硬件与软件平台。

附图表说明

图1 为本发明的一个优选实施实例结构示意图

图2 为多路驱动恒流源电路原理框图

图3 为D/A转换模块结构图

图4 为信号跟随与放大电路

图5 为V/I转换电路

图6 为受控试验模型结构振动控制时间历程图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表达的范围。

实施例一：

参见图1。本机敏结构振动主动控制的形状记忆合金驱动装置，包括一个固定支撑架构(1)、一个安装有多路形状记忆合金驱动单元(2)的实验模型结构(3)、一块A/D数据采集卡(4)、一台任意函数信号发生器(5)、一台信号功率放大器(6)、两台多路交替驱动恒流源(7)、一套多组PZT传感器网络(8)、一台激振器(9)、多台电荷放大器(10)、一台高性能计算机(11)和一台数字示波器(12)，其特征在于所述计算机(11)通过两台多路交替驱动恒流源(7)连接多路形状记忆合金驱动单元(2)，计算机(11)带有采集卡并连接数字示波器(12)，A/D数据采集卡(4)通过多路电荷放大器(10)连接多组PZT传感器网络(8)，多组PZT传感网络(8)粘贴在实验模型结构(3)上，所述任意函数信号发生器(5)经信号功率放大器(6)和激振器(9)连接，通过连杆与实验模型结构(3)连接；通过两台多路交替驱动恒流源(7)实现对多路形状记忆合金驱动单元(2)不同控制策略的驱动；使用橡皮绳将安装有多路形状记忆合金驱动单元(2)的实验模型(3)吊装在固定支撑架构(1)上；任意函数发生器(5)发出的信号经功率放大器(6)放大后输入激振器(9)，激振器(9)对模型结构(3)施加激励；粘贴在模型结构(3)上的多路PZT传感器网络(8)检测到结构振动信号，经过多路电荷放大器(10)调理，输出到以PIC接口连接到计算机(11)的高速A/D采集卡(4)，其后依照相应的控制策略控制多路交替驱动恒流源(7)驱动多路形状记忆合金驱动单元(2)工作，从而对实验模型(3)产生控制作用力，实现对其结构振动响应的实时抵消，以达到主动消除或降低实验模型结构(3)振动响应的目的。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1和图2，所述多路交替驱动恒流源(7)，由仪器外壳、单片机(1￠)和外围电路组成，仪器外壳设有前面板、后面板，其前面板布设有四路恒流源输出接口及液晶显示，后面板布设有电源接口、风扇设备、以及串行485通信接口；所述的单片机(1￠)和外围电路：一片Microchip公司的PIC18F4620单片机(1￠)的PA/PB脚经一个D/A转换芯片TLC5615(2￠)和基准电压芯片LM385-2.5(3￠)连接组成的数模转换电路、与一个放大器OP07(4￠)连接组成的放大和跟随电路、放大器OP07(4￠)经一个TI公司功率放大器OPA549芯片(5￠)与高精度采样电阻(6￠)连接组成的恒流源电路、一个TOPWAY的320*240的LM2088EFW-C液晶屏(7￠)连接单片机(1￠)的PD脚组成的人机接口电路、单片机(1￠)的RC6/RC7脚连接由美信485(8￠)构成的通信接口电路，单片机(1￠)的VCC脚连接一个稳压源LM7805CK(10￠)构成。所述多路形状记忆合金驱动单元(2)通过多次试验，根据实验模型结构的物理形状，使每个形状记忆合金驱动单元(2)在实验模型结构(3)有5个连接点，通过螺丝与实验模型结构(3)连接；并使每一路形状记忆合金驱动单元与多路交替驱动恒流源(7)连接，使用于多种控制策略的实验要求。

实施例三：

如图1所示，一种机敏结构主动控制的SMA交替驱动装置，发明装置主要由固定支撑架构(1)、安装有多路SMA驱动单元(2)的实验模型结构(3)、一块A/D数据采集卡(4)（型号：PCI-1712 生产单位：研华科技有限公司）、一台任意函数信号发生器(5)（型号：Angilent-33220A 生产单位：安捷伦仪器有限公司）、一台信号功率放大器(6) （型号：YE5872 生产单位：江苏联能电子技术有限公司）、两台多路交替驱动恒流源(7)、一套多组PZT传感器网络(8)、一台激振器(9)（型号：JZK－10 生产单位：江苏联能电子有限公司）、多路电荷放大器(10)（型号：YE5852A 生产单位：江苏联能电子有限公司）、一台高性能计算机(11)（型号：I500-7255生产单位：方正科技集团股份有限公司）、一台数字示波器(12)（型号：GDS-840C 生产单位：固纬电子实业股份有限公司）等组成。

本实施实例通过使用橡皮绳将安装有多路SMA驱动单元(2)的实验模型结构(3)吊装在固定支撑架构(1)上；任意函数信号发生器(5)与信号功率放大器(6)相连接，信号功率放大器(6)连接至激振器(9)，激振器(9)通过连杆与实验模型结构(3)连接，对实验模型结构(3)施加激励；粘贴在实验模型结构(3)上的多路PZT传感器网络(8)检测到结构振动信号，经过多路电荷放大器(10)调理，输出到以PIC接口连接到计算机(11)的高速A/D采集卡(4)，其后依照相应的控制策略控制多路交替驱动恒流源(7)驱动多路SMA驱动单元工作，从而对实验模型结构(3)产生控制作用力，实现对其结构振动响应的实时抵消，以达到主动消除或降低实验模型结构(3)振动响应的目的。

本实施例的实验模型结构(3)的框架选用铝合金材料密度为                                                ，杨氏模量为，泊松比为0.33，长1500mm，高度为160mm，左边宽边长500mm，右边宽边为350mm。该框架的长边两边支撑，中间为斜过渡，同时在中间横梁加10kg的力时，该框架在高度方向上整体变形，宽度方向上基本不变形，长度方向上也不变形，最大挠度为25mm，机身蒙皮结构选用环氧树脂板材料，材料密度为，杨氏模量为，泊松比为0.16，尺寸为464′794′384，能够在实验模型结构振动时有较大变形。

本实施例中SMA驱动单元由直径为0.5mm的单程NI-TI记忆合金丝制作而成，先进行热冷循环实验，使其力学行为达到稳定，然后截取长度为794mm的形状记忆合金丝，进行预应变，形变为5%，拉伸后记忆合金丝长度为803mm，并测得单根预拉伸SMA丝电阻为3.163。在基体材料板上共布置16预拉伸SMA丝，两端分别用接头螺丝进行固定并接出驱动导线端，同时在环氧树脂板上打2个孔，并通过螺丝使SMA驱动单元与环氧树脂板连接，如此形成一种SMA驱动机敏柔板结构。在此基础上，将所设计制作的SMA驱动机敏柔板结构，安装在实验模型框架上以构成机敏蒙皮结构，粘贴4个PZT压电片作为结构振动检测传感器，尺寸为。

本实施例中多路驱动恒流源由仪器外壳、单片机和外围电路及单片机软件程序组成。仪器外壳设有前面板，前面板上布设有多路恒流源输出接口端子及液晶显示。后面板设置有电源接口、为散热而安装的风扇、串行通信485接口。所述的单片机和外围电路，包括Microchip公司的PIC18F4620单片机(1)、D/A转换芯片TLC5615(2)和基准电压芯片LM385-2.5(3)组成的数模转换电路、放大器OP07(4)组成的放大和跟随电路、TI公司功率放大器OPA549芯片(5)和高精度采样电阻(6)组成的恒流源电路、TOPWAY的320*240的LM2088EFW-C液晶屏(7)组成的人机接口电路、由美信485(8)构成的通信接口电路、以及过热和过流保护电路(9)及装置、稳压源LM7805CK(10)。电路框架如图2所示。基准电压芯片LM385-2.5的8脚接D/A芯片TLC5615的参考电压REFIN输入端，TLC5615的SCLK、DIN两个个引脚分别与单片机PIC18F4620的PB2、PB1相连接，TLC5615的CS脚通过20脚插排分别与单片机PIC18F4620的PB3~PB7端口和PA0~PA2相连接，通过程序选择各路恒流源的片选信号CS。组成的D/A转换电路如图3所示。放大器OP07的正向端接在TLC5615的Vout电压输出端，经跟随放大电路后输入V/I转换模块OPA549的4脚。根据V/I转换电路中采用的采样电阻的阻值大小，设定跟随与放大电路的倍数。组成信号跟随与放大电路如图4所示。V/I转换模块OPA549将来自OP07的电压信号输入转换，其输出端接液晶在前面板显示，并在前面板的输出端子输出。V/I转换电路如图5所示。

应用上述的实验装置进行实验的方法包括如下步骤：

 (1)  调整实验模型结构(1)吊装高度和位置，将激振器(5)和实验模型结构(2)框架结构相连接；

(2)    启动任意函数信号发生器(12)，并设置激振信号的频率和幅值；为取得特征信号的振动响应特性，一般是激振频率设定为实验模型结构的固有频率；

(3)    启动激振器(5)，对实验模型结构(2)进行激振；具体方法为启动和激振器(5)相连接的功率放大器(6)，调整增益，对实验模型的框架结构施加振动激励；

(4)    开启电荷放大器(7)、数字示波器(8)及计算机(11)，获取实验模型结构(2)振动响应信号；具体方法为开启电荷放大器(10)，通过与之相连接的数字示波器(12)直接观测采集到的电压信号，通过插有A/D采集卡(4)的计算机(11)采集振动信号；

(5)  选择控制算法，并启动控制；

(6)    从计算机(11)或使用示波器观测实验模型结构(2)振动控制效果。

利用上述试验装置和方法，对SMA交替激励驱动，并基于实验模型结构进行了分析和验证。图6为实验模型振动控制时间历程图，从图中分析表明基于SMA交替驱动的机敏结构振动主动控制后，实验模型结构的振动响应得到了明显的抑制。