新型磁致伸缩驱动器优化设计及测试软件开发

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超磁致伸缩驱动器因具有无限次运动、磁畴反应迅速以及大行程大质量带动能力等优点,在空间光学载荷、精密工程等领域得到了广泛的应用。但磁致伸缩材料存在非线性滞回、热膨胀等问题,从而限制了其性能的高效发挥。故而,为了提高磁致伸缩驱动器静态与动态响应性能,本文广泛吸收了现有超磁致伸缩驱动器(简称GMA)的设计方法、磁致伸缩理论以及测试软硬件的开发方式,并提出新的磁致伸缩驱动器结构设计及开发针对磁滞回特性的测试软件。为了将质量外移并提供场强合适的均匀偏置磁场,基于等效毕奥萨法尔模型对偏置磁环的外半径与厚度分别进行了数值优化。为降低激励线圈的损耗,对激励线圈进行了优化改进以降低其电感和电阻损耗水平,并以最佳形状系数确定了线束的基本尺寸。随后为有效消除磁路的磁滞损失发热,采用理论模拟和电磁仿真的方式分别对内外磁路结构进行了改进和优选。为进一步对所研制样机进行试验分析,基于QT5环境和激光位移传感器硬件接口编写了GMA测试软件。具体实现了数据采集、滤波去噪以及频域分析的基础功能,并借助simulink的代码集成工具,根据磁畴理论与致动模型建立并实现了由实测位移数据反向解算GMA样机磁化参数的数据分析程序。根据优选参数研制了GMA-MRC/40样机,并搭建了实验平台。在直流响应中测试了最大行程、静态温升热膨胀以及两型线束的发热性能。交流响应下分析了样机的幅值调频范围、并联线圈的致动行程和控制灵敏性以及不同刚度系统的共振频率与极限频率下的响应稳定性和抗干扰性。为进一步测试GMA样机的致动性能,通过脉冲响应的间隔和启调声音分析了致动分辨率,并在挂载不同质量下测试了其带载性能。最后针对不同频率得到了随电流增加的磁致伸缩磁滞回环并分析了5Hz下不同电流的磁化参数,分析结果可为GMA闭环控制提供参数依据。分析与实验结果表明:经过优化设计的新型GMA在较宽频率的行程保持性、激励线圈工作时长、分辨率以及磁滞回损失方面表现良好。这些工作将为后续实现高效能GMA精确控制奠定实测基础。
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