超磁致伸縮執行器溫控系統的設計與實現①

隋曉梅 陳文卓

(華北科技學院電子信息工程學院，北京東燕郊 101601)

超磁致伸縮執行器溫控系統的設計與實現①

隋曉梅②陳文卓

(華北科技學院電子信息工程學院，北京東燕郊 101601)

為了實現超磁致伸縮執行器(GMA)精密的位移控制，需要采取一定溫控設施保證超磁致伸縮材料(GMM)工作在特定溫度情況下;針對超磁致伸縮材料對溫度的敏感性，在GMM智能構件的基礎上提出了一種改進的強制水冷溫度控制策略;利用單片機控制系統實現了對超磁致伸縮執行器的溫度控制，實驗結果表明了該控制策略可以保證GMA工作在恒溫，驗證了策略的有效性;對超磁致伸縮材料微驅動應用具有實際的工程意義。

超磁致伸縮;溫度控制;單片機

0 引言

超磁致伸縮執行器(Giang Magnetostrictive Actuator，GMA)在需要精密定位、位移伺服的控制領域中有著廣泛的應用，主要利用超磁致伸縮材料(Giant magnetostrictive material，GMM)在外界磁場作用下會發生應變伸長這一特性。GMM作為一種新型的能量轉換功能材料，具有應變大、強力、機電耦合系數高、響應速度快等優異特性，但其熱膨脹系數［1］達12×10－6/℃，由于這一系數與磁致伸縮系數在同一個數量級［2］，因此使用過程中產生的熱將直接影響GMA定位和位移控制精度，所以有效抑制熱誤差是應用超磁致伸縮執行器實現精密加工或精確定位、位移伺服控制的關鍵技術之一。目前，抑制GMA熱變形的方法主要有被動補償和主動溫控兩大類。被動補償執行機構往往比較復雜，無法從根本上消除GMA產生的熱誤差。主動溫控方法包括：半導體制冷法［3］、相變溫控法［4］、強制水冷溫控法［5］。其中半導體制冷法需要專門定制半導體制冷片，且結構較復雜;相變溫控法則需要通過復雜的相變材料選型來進行配比過程;至于傳統的強制水冷溫控法［5］，則需要根據GMA溫度的變化，調節水泵流量的方法來實現對GMA溫度的控制，整個控制過程復雜。因此本文基于GMM智能構件［6，7］提出了一種改進的強制水冷溫度控制策略，根據GMM智能構件驅動線圈所能產生的最大生熱量，給出水泵的最低流量，從而保證帶走GMM智能構件驅動線圈產生的熱量，主要利用單片機系統結合測溫電路、加熱控制電路和風扇電路來實現超磁致伸縮執行器的溫度控制策略。通過實驗，結果表明該策略可以有效地保持GMM工作溫度的恒定。

1 超磁致伸縮執行器溫控系統的設計

針對傳統超磁致伸縮執行器溫控方法的不足，且考慮到實際過程中GMM智能構件［6，7］系統需要長時間連續工作，為了達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生的溫升，同時保證GMM工作溫度的恒定。綜合以上主要因素提出了一種改進的溫控策略，它根據GMM智能構件驅動線圈工作過程中最大生熱量，設定水泵的最低流量將GMA驅動線圈產生的熱量帶走。相比于傳統強制水冷溫控策略［5］，這種改進的溫度控制策略不需要根據GMA實時的溫度變化來控制水泵，做出相應變化流量。不但簡化了溫度控制算法，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的工作效率，使GMM能穩定在一個更小的溫度波動范圍內。經過對GMM智能構件工作環境的反復測試，得到冷卻水流速最低為0.0464 m/s。

GMA溫控系統的整體結構如圖1。整個控制系統首先需要設定恒溫水的預設溫度值，GMA開始工作后，水箱中的溫度傳感器將監測得到的水溫通過測溫電路連接至單片機溫控系統，單片機將此溫度值與初始的設置值進行比較，如果水溫低于設定值則通過單片機溫控系統啟動加熱控制電路，從而使加熱器開始工作，溫度將不斷升高。經過一段時間后當水箱中的溫度達到并能夠穩定在設定值時，則通過單片機溫度控制系統啟動水泵進行工作。水泵將水送至GMA，恒溫水流過驅動線圈后通過閥回流到水箱，由于吸收了驅動線圈的熱量所以水溫會有所升高，一旦溫度值高于設定值，則單片機溫控系統啟動風扇控制電路，從而使冷卻風扇開始進行冷卻。

圖1 強制水冷的GMA溫控系統結構圖

2 超磁致伸縮執行器溫控系統的實現

超磁致伸縮執行器溫控系統的主要任務是針對溫度控制目標，控制系統執行相對應的動作，從而控制GMM工作溫度在合理范圍內，減小由于溫度升高對于應變伸長所造成的影響。

控制系統原理如圖2所示。首先水箱中循環水溫度經單總線溫度傳感器采集后直接送入單片機AT89C55，單片機接收溫度傳感器送來的信息后，對水溫與預設溫度進行比較，然后通過AT89C55分別控制可控硅及繼電器，從而決定循環水加熱器的功率輸出以及冷卻控制電路中風扇的工作狀態。GMA執行器內的線圈溫度由Pt100采集，經過A/D轉換芯片采用雙積分型模數轉換器ICL7135將線圈溫度轉換為數字信號送入AT89C55，單片機控制水泵控制電路工作，向GMA智能構件提供冷卻循環水。

圖2 控制系統原理圖

控制系統中控制器的核心是ATMEL的AT89C55型單片機，主要負責溫度的比較和執行相應控制電路動作的觸發，多路開關和放大器采用模擬多路開關CD4052和高精度集成運放OP07。A/D轉換芯片采用雙積分型模數轉換器ICL7135，外部擴展一片串行256×8位的E2PROM芯片AT24C02;D/A轉換則采用DAC0832芯片實現功率驅動輸出、、過零觸發功率輸出以及觸點繼電器輸出。

系統中分別采用兩種溫度傳感器DS18B20和Pt100。DS18B20為數字式溫度傳感器，其在－10℃～80℃的絕對精度為0.5℃，用于對檢測精度要求相對較低的水箱中的水溫。而對于GMA應用領域對于精度要求相對更高，所以在這里Pt100用于測線圈溫度。Pt100主要利用鉑的電導率隨溫度變化的特性，其復現性好，但盡管Pt100大體上線性度不錯，使用之前仍需要進行標定，本方案中選用數值式溫度表對鉑電阻溫度傳感器標定，標定的四次多項式擬合曲線如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的標定

最后經Pt100的檢測和數據采集卡的采集，將測得的GMM智能構件的溫度數據送給計算機，繪制出工作狀態下溫度曲線。

3 實驗結果

為驗證超磁致伸縮執行器溫度控制策略的有效性，對設計的GMA溫控系統進行實驗測試。在環境溫度為20℃，使用30℃冷卻水對GMM構件進行冷卻，Pt100測試位置為水腔靠近GMM棒內壁處，冷卻水流速0.0464m/s。實驗主要測試改進的溫控系統是否對于GMM智能構件產生的不同熱量均能有效控制溫度，并穩定在一個小的波動范圍內，選取三種情況進行測試。GMA輸入電流分別為0.5A、2A、3A，對GMM智能構件的線圈經過10分鐘水冷卻后，使用溫度傳感器和數據采集卡，連續采集溫度數據1個小時，采樣率為1秒鐘一次，據此繪制溫度－時間變化曲線如圖4所示。

由圖4的實驗結果可以看出，在上述給定條件下，用30℃水對GMM進行冷卻，盡管輸入電流分別為0.5A、2A和3A大小不同，即產生熱量有所不同，但通過曲線圖看出經過超磁致伸縮執行器溫度控制系統GMM構件溫度可維持在29℃～30℃之間，這說明本文設計的超磁致伸縮執行器溫度控制系統能夠滿足冷卻要求，從而保證GMM工作在恒定的溫度范圍。

4 結論

本文在提出一種改進的溫度控制策略以實現超磁致伸縮執行器精密的溫度控制。系統通過單片機溫控系統根據水箱中溫度傳感器測得水溫和設定值比較，如果低于設定值啟動加熱棒加熱，當溫度恒定在設定值，啟動水泵工作。這種改進的強制水冷方式實現了超磁致伸縮材料工作時溫度的恒定，進一步有利于超磁致伸縮執行器精密位移控制。實驗結果證明了該控制策略的有效性，對超磁致伸縮材料執行器應用具有實際的工程意義。

圖4 GMM智能構件在不同輸入電流時溫度隨時間的變化曲線圖

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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，華北科技學院電子信息工程學院講師。