超磁致伸縮執(zhí)行器精密位移控制研究

王繼驍　邵青偉　趙俊杰

摘 要：超磁致伸縮材料（GMM）是一種新型的功能性材料，具有應(yīng)變大、可控精度高等優(yōu)點(diǎn)，是研制精密驅(qū)動(dòng)器的理想材料。本文闡述了在交變磁場(chǎng)中超磁致伸縮棒產(chǎn)生震動(dòng)，通過(guò)對(duì)超磁致伸縮執(zhí)行器（GMA）進(jìn)行控制，使其輸出的震動(dòng)位移在我們要求的位移誤差范圍內(nèi)，建立了超磁致伸縮位移控制模型并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了GMA的振動(dòng)位移誤差在1μm的誤差范圍內(nèi)，GMA的輸出達(dá)到了理想精度要求。

關(guān)鍵詞：超磁致伸縮制動(dòng)器；控制方法；濾波方法；交變磁場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN712.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0072-02

Research on Precision Displacement Control

of Giant Magnetostrictive Actuator

WANG Jixiao SHAO Qingwei ZHAO Junjie

（Shenyang University of Technology， Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： Giant magnetostrictive material （GMM） is a new type of functional material with the advantages of large strain and high controllability. It is an ideal material for the development of precision actuators. This paper described the generation of vibrations in an alternating magnetic field by controlling the Giant Magnetostrictive Actuator （GMA） so that the output vibrational displacement was within the range of the displacement error we require. The displacement control model was extended and the experimental platform was set up. Finally， the vibration displacement error of GMA was within the error range of 1μm， and the output of GMA reaches the ideal accuracy requirement.

Keywords： giant magnetostrictive brake；control method；filtering method；alternating magnetic field

超磁致伸縮材料（GMM）是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的智能材料，具有伸縮系數(shù)大、機(jī)電耦合系數(shù)大、響應(yīng)速度快、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。在外加磁場(chǎng)的作用下，GMM會(huì)沿磁化方向發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短變形，利用這一原理制成的超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器（GMA）具有響應(yīng)時(shí)間短、負(fù)載力大、低頻性能好等特點(diǎn)?；谄涮匦栽O(shè)計(jì)出的前饋逆補(bǔ)償PID控制器用于大行程GMA驅(qū)動(dòng)位移精密控制，得到納米級(jí)別的定位精度。本文采用LMS算法對(duì)GMA進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制方法不依賴(lài)于物理模型，因此較為方便簡(jiǎn)捷。

1 超磁致伸縮執(zhí)行器（GMA）的結(jié)構(gòu)模型

本實(shí)驗(yàn)所用到的超磁致伸縮執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)主要包括：碟形彈簧、傳動(dòng)軸、不銹鋼上蓋、預(yù)緊螺母、螺栓、緊固螺母、不銹鋼中蓋、上導(dǎo)磁片、純鐵套筒、不銹鋼套筒、上導(dǎo)磁塊、線(xiàn)圈骨架、GMM棒、下導(dǎo)磁塊、防磁鋼圈、下導(dǎo)磁片、不銹鋼底座和線(xiàn)圈，共18個(gè)部分組成。在GMA整體系統(tǒng)中，將GMM固定在底座，頂端自由無(wú)約束且無(wú)任何能量損失的圓柱形棒體。

實(shí)驗(yàn)中使用的超磁致伸縮棒的長(zhǎng)度為44mm、直徑為12mm大小的TbDyFe材料，線(xiàn)圈匝數(shù)為600匝。試驗(yàn)系統(tǒng)利用日本NF可控電源為GMA提供交流電，激光位移傳感器在傳動(dòng)軸處采集位移信號(hào)，通過(guò)PCI-1741U板卡采集信號(hào)到計(jì)算機(jī)，通過(guò)Labview與Matlab結(jié)合進(jìn)行信號(hào)處理與控制編程。

2 LMS算法的基本原理

LMS算法基本原理如圖1所示。

輸出信號(hào)[yn]為激光位移傳感器采集到的一系列震動(dòng)位移信號(hào)：

[yn]=[i=0N-1winxn-i=WTnXn] （1）

定義權(quán)向量：

[Wn=W1n，W2n，…，WN-1nT] （2）

[Xn=xn，xn-1，…，xn-N+1T] （3）

令[dn]代表“所期望的輸出位移”，并定義誤差信號(hào)：

[en=dn-yn] （4）

誤差信號(hào)的平方值近似該時(shí)刻的均方誤差：

[εn≈e2n=dn-yn2] （5）

[?n=?e2n?W=-2enXn] （6）

通過(guò)最陡下降法可以得到[Wn]的迭代公式：

[Wn+1=Wn-μ?n] （7）

[μ]為收斂因子，[?n]為期望位移與實(shí)際位移的均方誤差。LMS算法就是根據(jù)式（7）不斷調(diào)節(jié)輸出信號(hào)控制電源使輸出位移的誤差[en]達(dá)到最小值。

3 超磁致伸縮執(zhí)行器的控制方法

GMA驅(qū)動(dòng)器的控制原理：通過(guò)PCI-1741U板卡采集激光位移傳感器的輸出位移信號(hào)導(dǎo)入到LabVIEW中，然后通過(guò)控制程序給電源加載交變電壓信號(hào)，控制器通過(guò)不斷調(diào)節(jié)輸出的電壓信號(hào)，使GMA的輸出位移不斷改變，從而達(dá)到我們所需要得到的控制精度。

設(shè)激光位移傳感器的輸入位移信號(hào)為[yn]，所期望的位移為[dn]，輸入的一組初始值為[Xn]，[μ]為收斂系數(shù)，取0.2，則根據(jù)第一次輸入的一組信號(hào)求出[yn]的初始值為：

[yn=wn*Xn] （8）

求出期望信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)的誤差：

[en=dn-yn] （9）

根據(jù)LMS算法中最陡下降法原理最終求出：

[wn=wn+2*μ*en*Xn] （10）

通過(guò)對(duì)輸出的[yn]反復(fù)進(jìn)行控制最終達(dá)到理想的期望信號(hào)。

為了驗(yàn)證辨識(shí)算法的有效性，分別以頻率為30Hz，幅值為[40μm]的期望信號(hào)和[60μm]的期望信號(hào)進(jìn)行控制，控制收斂因子[μ]設(shè)為0.02，控制輸入初始值[Xn]取第一次輸入的激光位移傳感器的輸出信號(hào)，控制系統(tǒng)以初始值0.1A，30Hz的電流進(jìn)行第一次輸入。激光位移傳感器對(duì)應(yīng)位移為：0.001V對(duì)應(yīng)2.5μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。藍(lán)色實(shí)線(xiàn)代表初始位移波形，紅色實(shí)線(xiàn)代表控制后激光位移傳感器輸出的波形。通過(guò)BP4610雙極性電源讀取控制后的電流分別對(duì)應(yīng)為[40μm]對(duì)應(yīng)的電流值為0.7A，[60μm]對(duì)應(yīng)的電流值為1.2A。

通過(guò)對(duì)比圖可以看出，在期望位移為[40μm]的控制下電流值為0.7A，期望位移[60μm]的控制下電流值為1.2A。誤差小于0.000 4V的激光位移傳感器采集電壓，對(duì)應(yīng)的控制位移誤差小于1μm，對(duì)應(yīng)最終控制電流為0.7A，30Hz的交流電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到理想的控制目的。

4 結(jié)論

通過(guò)上述理論分析以及實(shí)驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論：通過(guò)LMS算法對(duì)GMA進(jìn)行控制可以得到一個(gè)比較高的精度，其誤差在1μm范圍內(nèi)，對(duì)其精度的控制已經(jīng)達(dá)到一個(gè)理想的范圍。雖然控制過(guò)程中還存在噪聲的干擾，且由于其參考電壓的數(shù)值比較小，造成控制過(guò)程中還是會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，但該控制方法與實(shí)驗(yàn)為以后的研究及應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐彭有.超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器精密位移驅(qū)動(dòng)控制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.