磁控形状记忆合金自传感驱动器的研究

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磁控形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy,MSMA)是近年来出现的一种新型的智能材料,具有磁场驱动下的形状记忆效应,变形率大,力能密度大,动态响应速度快,线性度好,易于控制等特点。MSMA的磁控形状记忆功能具有可逆性,不仅在磁场作用下MSMA元件可输出位移和力,而且在外力作用下通过磁性能的变化可输出较大的感应电压。MSMA材料的这一特性,为自传感驱动器设计和研制提供了理论基础。本文基于振动主动控制技术,实现了MSMA自传感驱动器对振动的消振控制。首先介绍了磁控形状记忆合金应用设备的发展状况和国内外的研究现状,并介绍了自传感驱动器的研究现状及意义。研究了磁控形状记忆合金的变形机理和主要特性,再与温控形状记忆合金和超磁致伸缩材料进行了对比,最后给出了实验所用MSMA材料的特性研究。阐述了自传感驱动器的原理,对MSMA自传感驱动器的结构进行了设计;基于ANSYS软件对MSMA自传感驱动器进行了有限元建模和仿真。在此基础上研制了MSMA自传感驱动器,并构建了MSMA自传感驱动器的数学模型。根据MSMA自传感驱动器振动主动控制的基本原理,提出了振动主动控制系统的建立。首先对振动主动控制的组成和控制器进行了研究,采用数据采集系统对MSMA自传感驱动器的驱动过程进行控制并获取传感过程的信号。在数据采集系统的建立过程中,首先对数据采集板卡进行了选择,再对数据采集硬件进行了配置并测试了板卡的性能,之后对板卡的软件进行了研究,对比了不同的编程方法。为了给振动主动控制系统提供稳定的激振力,设计和研制了电磁式激振器。最后阐述了整个振动主动控制系统搭建过程中的几个重要环节,包括驱动电源的选择,数据采集卡与外部设备的连接以及传感信号处理单元。在建立了MSMA自传感驱动器振动主动控制系统的基础上,对系统的效果进行了测试实验。激振器提供的激振力是整个系统所要控制的对象,首先对激振器进行了控制实验,分别提出了继电器控制和LabVIEW程序控制两种控制方法。根据MSMA自传感驱动器的工作特性,通过实验得到了MSMA元件形变量与磁感应强度以及电压的关系;在激振器作用下,实验得到了驱动过程中可动顶杆位移与励磁电压的关系,为MSMA自传感驱动器振动主动控制实验提供了比较对象。基于LabVIEW的传感信号检测实验说明了MSMA自传感驱动器的传感过程的可行性。最后基于PID控制技术进行了主动消振实验,实验结果显示研制的MSMA自传感驱动器消振效果良好,并且利用PID控制技术提高了消振的效果。
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