超磁致伸縮執(zhí)行器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

隋曉梅 陳文卓

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

超磁致伸縮執(zhí)行器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

隋曉梅②陳文卓

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

為了實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)精密的位移控制，需要采取一定溫控設(shè)施保證超磁致伸縮材料(GMM)工作在特定溫度情況下;針對(duì)超磁致伸縮材料對(duì)溫度的敏感性，在GMM智能構(gòu)件的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的強(qiáng)制水冷溫度控制策略;利用單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超磁致伸縮執(zhí)行器的溫度控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制策略可以保證GMA工作在恒溫，驗(yàn)證了策略的有效性;對(duì)超磁致伸縮材料微驅(qū)動(dòng)應(yīng)用具有實(shí)際的工程意義。

超磁致伸縮;溫度控制;單片機(jī)

0 引言

超磁致伸縮執(zhí)行器(Giang Magnetostrictive Actuator，GMA)在需要精密定位、位移伺服的控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，主要利用超磁致伸縮材料(Giant magnetostrictive material，GMM)在外界磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)變伸長(zhǎng)這一特性。GMM作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換功能材料，具有應(yīng)變大、強(qiáng)力、機(jī)電耦合系數(shù)高、響應(yīng)速度快等優(yōu)異特性，但其熱膨脹系數(shù)［1］達(dá)12×10－6/℃，由于這一系數(shù)與磁致伸縮系數(shù)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)［2］，因此使用過程中產(chǎn)生的熱將直接影響GMA定位和位移控制精度，所以有效抑制熱誤差是應(yīng)用超磁致伸縮執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)精密加工或精確定位、位移伺服控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，抑制GMA熱變形的方法主要有被動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)溫控兩大類。被動(dòng)補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往比較復(fù)雜，無法從根本上消除GMA產(chǎn)生的熱誤差。主動(dòng)溫控方法包括：半導(dǎo)體制冷法［3］、相變溫控法［4］、強(qiáng)制水冷溫控法［5］。其中半導(dǎo)體制冷法需要專門定制半導(dǎo)體制冷片，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;相變溫控法則需要通過復(fù)雜的相變材料選型來進(jìn)行配比過程;至于傳統(tǒng)的強(qiáng)制水冷溫控法［5］，則需要根據(jù)GMA溫度的變化，調(diào)節(jié)水泵流量的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)GMA溫度的控制，整個(gè)控制過程復(fù)雜。因此本文基于GMM智能構(gòu)件［6，7］提出了一種改進(jìn)的強(qiáng)制水冷溫度控制策略，根據(jù)GMM智能構(gòu)件驅(qū)動(dòng)線圈所能產(chǎn)生的最大生熱量，給出水泵的最低流量，從而保證帶走GMM智能構(gòu)件驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的熱量，主要利用單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合測(cè)溫電路、加熱控制電路和風(fēng)扇電路來實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮執(zhí)行器的溫度控制策略。通過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該策略可以有效地保持GMM工作溫度的恒定。

1 超磁致伸縮執(zhí)行器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)超磁致伸縮執(zhí)行器溫控方法的不足，且考慮到實(shí)際過程中GMM智能構(gòu)件［6，7］系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，為了達(dá)到良好的控制效果就必須快速降低超磁致伸縮材料在使用過程中產(chǎn)生的溫升，同時(shí)保證GMM工作溫度的恒定。綜合以上主要因素提出了一種改進(jìn)的溫控策略，它根據(jù)GMM智能構(gòu)件驅(qū)動(dòng)線圈工作過程中最大生熱量，設(shè)定水泵的最低流量將GMA驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的熱量帶走。相比于傳統(tǒng)強(qiáng)制水冷溫控策略［5］，這種改進(jìn)的溫度控制策略不需要根據(jù)GMA實(shí)時(shí)的溫度變化來控制水泵，做出相應(yīng)變化流量。不但簡(jiǎn)化了溫度控制算法，而且減小了由于流量變化所造成的降溫滯后，提高了整體控制系統(tǒng)的工作效率，使GMM能穩(wěn)定在一個(gè)更小的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)。經(jīng)過對(duì)GMM智能構(gòu)件工作環(huán)境的反復(fù)測(cè)試，得到冷卻水流速最低為0.0464 m/s。

GMA溫控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1。整個(gè)控制系統(tǒng)首先需要設(shè)定恒溫水的預(yù)設(shè)溫度值，GMA開始工作后，水箱中的溫度傳感器將監(jiān)測(cè)得到的水溫通過測(cè)溫電路連接至單片機(jī)溫控系統(tǒng)，單片機(jī)將此溫度值與初始的設(shè)置值進(jìn)行比較，如果水溫低于設(shè)定值則通過單片機(jī)溫控系統(tǒng)啟動(dòng)加熱控制電路，從而使加熱器開始工作，溫度將不斷升高。經(jīng)過一段時(shí)間后當(dāng)水箱中的溫度達(dá)到并能夠穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，則通過單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行工作。水泵將水送至GMA，恒溫水流過驅(qū)動(dòng)線圈后通過閥回流到水箱，由于吸收了驅(qū)動(dòng)線圈的熱量所以水溫會(huì)有所升高，一旦溫度值高于設(shè)定值，則單片機(jī)溫控系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇控制電路，從而使冷卻風(fēng)扇開始進(jìn)行冷卻。

圖1 強(qiáng)制水冷的GMA溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 超磁致伸縮執(zhí)行器溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

超磁致伸縮執(zhí)行器溫控系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對(duì)溫度控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，從而控制GMM工作溫度在合理范圍內(nèi)，減小由于溫度升高對(duì)于應(yīng)變伸長(zhǎng)所造成的影響。

控制系統(tǒng)原理如圖2所示。首先水箱中循環(huán)水溫度經(jīng)單總線溫度傳感器采集后直接送入單片機(jī)AT89C55，單片機(jī)接收溫度傳感器送來的信息后，對(duì)水溫與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，然后通過AT89C55分別控制可控硅及繼電器，從而決定循環(huán)水加熱器的功率輸出以及冷卻控制電路中風(fēng)扇的工作狀態(tài)。GMA執(zhí)行器內(nèi)的線圈溫度由Pt100采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片采用雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135將線圈溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入AT89C55，單片機(jī)控制水泵控制電路工作，向GMA智能構(gòu)件提供冷卻循環(huán)水。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)中控制器的核心是ATMEL的AT89C55型單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)溫度的比較和執(zhí)行相應(yīng)控制電路動(dòng)作的觸發(fā)，多路開關(guān)和放大器采用模擬多路開關(guān)CD4052和高精度集成運(yùn)放OP07。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135，外部擴(kuò)展一片串行256×8位的E2PROM芯片AT24C02;D/A轉(zhuǎn)換則采用DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)輸出、、過零觸發(fā)功率輸出以及觸點(diǎn)繼電器輸出。

系統(tǒng)中分別采用兩種溫度傳感器DS18B20和Pt100。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，其在－10℃～80℃的絕對(duì)精度為0.5℃，用于對(duì)檢測(cè)精度要求相對(duì)較低的水箱中的水溫。而對(duì)于GMA應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诰纫笙鄬?duì)更高，所以在這里Pt100用于測(cè)線圈溫度。Pt100主要利用鉑的電導(dǎo)率隨溫度變化的特性，其復(fù)現(xiàn)性好，但盡管Pt100大體上線性度不錯(cuò)，使用之前仍需要進(jìn)行標(biāo)定，本方案中選用數(shù)值式溫度表對(duì)鉑電阻溫度傳感器標(biāo)定，標(biāo)定的四次多項(xiàng)式擬合曲線如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的標(biāo)定

最后經(jīng)Pt100的檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集卡的采集，將測(cè)得的GMM智能構(gòu)件的溫度數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，繪制出工作狀態(tài)下溫度曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證超磁致伸縮執(zhí)行器溫度控制策略的有效性，對(duì)設(shè)計(jì)的GMA溫控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在環(huán)境溫度為20℃，使用30℃冷卻水對(duì)GMM構(gòu)件進(jìn)行冷卻，Pt100測(cè)試位置為水腔靠近GMM棒內(nèi)壁處，冷卻水流速0.0464m/s。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試改進(jìn)的溫控系統(tǒng)是否對(duì)于GMM智能構(gòu)件產(chǎn)生的不同熱量均能有效控制溫度，并穩(wěn)定在一個(gè)小的波動(dòng)范圍內(nèi)，選取三種情況進(jìn)行測(cè)試。GMA輸入電流分別為0.5A、2A、3A，對(duì)GMM智能構(gòu)件的線圈經(jīng)過10分鐘水冷卻后，使用溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，連續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)1個(gè)小時(shí)，采樣率為1秒鐘一次，據(jù)此繪制溫度－時(shí)間變化曲線如圖4所示。

由圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在上述給定條件下，用30℃水對(duì)GMM進(jìn)行冷卻，盡管輸入電流分別為0.5A、2A和3A大小不同，即產(chǎn)生熱量有所不同，但通過曲線圖看出經(jīng)過超磁致伸縮執(zhí)行器溫度控制系統(tǒng)GMM構(gòu)件溫度可維持在29℃～30℃之間，這說明本文設(shè)計(jì)的超磁致伸縮執(zhí)行器溫度控制系統(tǒng)能夠滿足冷卻要求，從而保證GMM工作在恒定的溫度范圍。

4 結(jié)論

本文在提出一種改進(jìn)的溫度控制策略以實(shí)現(xiàn)超磁致伸縮執(zhí)行器精密的溫度控制。系統(tǒng)通過單片機(jī)溫控系統(tǒng)根據(jù)水箱中溫度傳感器測(cè)得水溫和設(shè)定值比較，如果低于設(shè)定值啟動(dòng)加熱棒加熱，當(dāng)溫度恒定在設(shè)定值，啟動(dòng)水泵工作。這種改進(jìn)的強(qiáng)制水冷方式實(shí)現(xiàn)了超磁致伸縮材料工作時(shí)溫度的恒定，進(jìn)一步有利于超磁致伸縮執(zhí)行器精密位移控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制策略的有效性，對(duì)超磁致伸縮材料執(zhí)行器應(yīng)用具有實(shí)際的工程意義。

圖4 GMM智能構(gòu)件在不同輸入電流時(shí)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖

［1］李碚，伍虹.國外稀土超磁致伸縮材料的研究狀況［J］.稀土，1990，11(6)：52－59

［2］Xiaojing Zheng，Le Sun.A one－dimension coupled hysteresis model for giant magnetostrictive materials［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，309：263－271

［3］徐君.超磁致伸縮執(zhí)行器熱誤差補(bǔ)償方法研究及測(cè)控平臺(tái)建立［D］.浙江大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2007

［4］Shankar Krishnan，Suresh V.Garimella，Sukhvinder S.Kang.A novel hybrid heat sink using phase change materials for transient thermal management of electronics［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2005，28(2)：281－289

［5］賈振元，楊興，郭東明，侯璐景.超磁致伸縮材料微位移執(zhí)行器的設(shè)計(jì)理論及方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(11)：46－49

［6］宮惠峰.相變貯能材料的研究進(jìn)展［J］.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(01)：33－35

［7］鄔義杰，項(xiàng)占琴.基于超磁致伸縮材料的活塞異形銷孔加工原理研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，38(9)：1185－1189

The design and realization of giant magnetostrictive actuator’s temperature control system

SUI Xiaomei，CHEN Wenzhuo

(College of Electronic Information Engineering in North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing－East101601)

To realize precision displacement control for giant magnetostrictive actuator，a temperature control approach is necessary for constant giant magnetostrictive material(GMM)temperature.Because of inherent GMM temperature sensitivity，an improved forced water－cooled strategy is proposed.The giant magnetostrictive actuator temperature control system is realized by using single－chip microcomputer control system.The validity of control strategy is proved by experiment.The temperature control strategy for giant magnetostrictive micro－driven actuator is of important significance to the actual engineering.

giant magnetostrictive;temperature control;single－chip microcomputer

T29

A

1672－7169(2012)01－0070－04

2012－01－12

隋曉梅(1978－)，女，遼寧遼陽人，碩士，華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師。