磁致伸縮式慣性直線電動機

盧全國，趙 冉，祝志芳

(南昌工程學院，南昌330099)

0 引 言

慣性沖擊電機是利用慣性沖擊來實現(xiàn)精密位移的一種精密驅(qū)動機構(gòu)，它具有運動范圍大、位移分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，并可在進行步進運動的同時實現(xiàn)精確定位［1］。目前，慣性沖擊電機已在生物工程、微型零件操作與裝配、機器人和醫(yī)療器械等領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用［2－3］。

現(xiàn)有的慣性沖擊直線電動機一般采用壓電功能材料驅(qū)動，也就是利用壓電陶瓷晶體逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。壓電式慣性沖擊直線電動機是利用壓電材料在迅速通電或斷電時的快速變形產(chǎn)生慣性沖擊，繼而形成驅(qū)動能力來實現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動機構(gòu)［4－5］。上海大學研究了圓形壓電雙晶片驅(qū)動的管內(nèi)移動機構(gòu)，該機構(gòu)尺寸16 mm ×9 mm，重9.5 g，可以在直徑為20 mm 的管道內(nèi)移動。臺灣國立高雄第一科技大學研制了慣性沖擊精密定位工作臺，整個機構(gòu)質(zhì)量為187 g，定位精度可達到10 nm。國外關(guān)于壓電慣性式精密驅(qū)動器的研究開展更為廣泛，并已初步應(yīng)用于精密加工、醫(yī)學工程、光學精密工程等領(lǐng)域［6－7］。但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動的不足，導致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電動機存在運動穩(wěn)定性較差、運動速度慢、負載能力弱、可靠性低的問題，因而在較大功率場合應(yīng)用受到限制。

針對現(xiàn)有慣性沖擊電機的不足，本文提出以超磁致伸縮材料為驅(qū)動源，構(gòu)造一種新型的慣性沖擊直線電動機［8］。超磁致伸縮材料是一種功能材料，它采用稀土元素鋱、鏑與金屬鐵，按一定比例進行熔煉并定向結(jié)晶得到的合金，其磁致伸縮系數(shù)比鐵、鎳等傳統(tǒng)磁致伸縮材料高100 倍左右，因此被稱為巨或超磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料能有效地實現(xiàn)電磁能與機械能的轉(zhuǎn)換，具有磁場驅(qū)動、變形量大、輸出力大、能量密度大、機電耦合系數(shù)大、響應(yīng)速度快、低壓驅(qū)動的特點［9］，適于構(gòu)造各種精密驅(qū)動器件。

1 工作原理及驅(qū)動策略

1.1 工作原理

根據(jù)Higuchi T 等人提出的慣性沖擊式工作原理［9］和超磁致伸縮材料特點，所提出的新型慣性沖擊式直線電動機結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 磁致伸縮慣性沖擊直線電動機示意圖

通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)將超磁致伸縮棒一端固接慣性質(zhì)量塊，另一端固接移動體，磁致伸縮棒外部繞有電磁線圈。另外，結(jié)構(gòu)中需要預緊裝置，采用彈簧可提供一定的預壓力，以消除間隙，特別當電磁線圈上的電流減小，超磁致伸縮棒回縮時，彈簧迫使質(zhì)量塊回位，使質(zhì)量塊始終與超磁致伸縮棒緊密接觸。

對慣性沖擊式直線電動機施加快升緩降或緩升快降的鋸齒波信號時，由驅(qū)動元件和慣性質(zhì)量塊組成的沖擊體會對電機主體產(chǎn)生慣性沖擊力。當這個反向沖擊力大于移動體與外界的摩擦力時，機構(gòu)就可以產(chǎn)生運動;當這個反向沖擊力小于或等于移動體與外界的摩擦力時，機構(gòu)保持不動。通過控制信號的頻率、波形和幅值，能夠?qū)崿F(xiàn)不同步長的雙向連續(xù)運動。

1.2 驅(qū)動策略

無論壓電式還是磁致伸縮式慣性沖擊電機，傳統(tǒng)的驅(qū)動方式都是采用連續(xù)的鋸齒波信號。對于磁致伸縮式慣性直線電動機而言，需采用鋸齒波電流進行驅(qū)動［10］。由于電機的驅(qū)動線圈電感量較大，易產(chǎn)生反向的拖尾電流，這就需要對電機的驅(qū)動電流進行閉環(huán)控制［11］，從而增加了驅(qū)動的復雜性。為解決這一問題，本文采用了一種變頻式的驅(qū)動控制策略，如圖2 所示，驅(qū)動電流采用等占空比的鋸齒波電流，通過電流幅值控制直線電動機的位移長度，通過改變頻率控制電機的運動速度。在鋸齒波驅(qū)動電流i 的作用下，慣性沖擊電機將產(chǎn)生圖2 中階梯狀的步進位移，步長以Δx 來表示。

圖2 控制策略

驅(qū)動電流的函數(shù)表達式可用下式表示:

式中:T 為鋸齒波函數(shù)的周期;k 為斜率。

2 電機運動方程

根據(jù)上文所述的電機運動原理，慣性沖擊電機的運動主要與磁致伸縮材料的形變有關(guān)。已知磁致伸縮材料的形變與壓應(yīng)力及磁場之間的關(guān)系可由線性壓磁方程來描述:

式中:ε 為材料的總應(yīng)變;σ 為材料所受應(yīng)力(取拉應(yīng)力為正方向);d33為壓磁系數(shù);EH為楊氏模量;μ為材料相對磁導率。

在磁場作用下，磁致伸縮棒的長度變化為Δlr，在理想情況下，它等于慣性直線電動機的運動步長Δx。根據(jù)式(2)可得到步長與驅(qū)動磁場(電流)之間的關(guān)系［8］:

式中:lr為磁致伸縮棒長度;N 為驅(qū)動線圈匝數(shù);kcoil為驅(qū)動線圈補償系數(shù);i 為驅(qū)動電流。

由式(3)，慣性沖擊電機的運動速度v 可以表達:

根據(jù)式(3)、式(4)可對電機的行進步長和運動速度進行計算和預測，為實現(xiàn)慣性直線電動機的閉環(huán)控制提供了條件。根據(jù)式(4)計算電機的運行速度，在3 A，40 Hz 條件下，可以計算得到電機運動速度值為51 μm/s。

3 實驗結(jié)果及分析

本文中所設(shè)計的慣性直線電動機如圖3 所示，圖中①為配重塊，②為電機主體(包含磁致伸縮棒與線圈)，③為運動導軌。電機的基本參數(shù):磁致伸縮棒尺寸為Φ50 mm ×100 mm;線圈匝數(shù)為1 200匝;驅(qū)動線圈補償系數(shù)取1.11;壓磁系數(shù)取18.86 ×10－3T/MPa;磁致伸縮棒直徑為8 mm，配重塊質(zhì)量為0.06 kg。

圖3 慣性直線電動機

為驗證所設(shè)計慣性沖擊電機的工作性能，搭建實驗平臺，如圖4 所示，對電機的運動特性進行測試。圖中功放AE－7224 將鋸齒波信號進行放大以驅(qū)動電機，激光傳感器用于測量電機的步長及運動速度。

圖4 磁致伸縮慣性沖擊電機實驗系統(tǒng)

圖5 為電機在3 A，40 Hz 驅(qū)動電流條件下的運動軌跡，其運動速度為50 μm/s。而根據(jù)式(3)，在3 A 的驅(qū)動電流下，電機所得到的最大理想步長計算值為1.275 μm。由式(4)可以得到電機的運動速度計算值為51 μm/s。實驗結(jié)果與本文所給的運動方程計算值較為符合，表明了理論計算的有效性。

圖5 3 A，40 Hz 驅(qū)動電流下電機運動軌跡

圖6 為電機在不同驅(qū)動頻率下的運動軌跡。當驅(qū)動電流的頻率不斷升高時，電機的運動速度也隨之增加。電機的最高運動速度可達250 μm/s，且運動線性度較好。

圖6 不同驅(qū)動頻率下電機的運動軌跡

4 結(jié) 語

本文提出了一種磁致伸縮棒伸縮式慣性直線電動機，并采用了一種新的變頻控制策略來驅(qū)動電機。此外本文還根據(jù)線性壓磁方程給出了電機的運動方程，該方程能夠較為準確地計算電機的步長和運動速度。最后對電機的工作性能進行了測試，實驗結(jié)果證明電機具有良好的線性度，其工作頻率可達100 Hz，運動速度可達250 μm/s。

［1］ 張宏壯，程光明，曾平，等.壓電雙晶片型2 自由度精密驅(qū)動器的動態(tài)特性［J］.機械工程學報，2009，(2):87－91.

［2］ 姜楠，劉俊標. 慣性沖擊馬達的建模與仿真［J］. 系統(tǒng)仿真學報，2009，21(24):7711－7714.

［3］ 曾平，溫建明，程光明，等. 新型慣性式壓電驅(qū)動機構(gòu)的研究［J］.光學精密工程，2006，14(4):623－627.

［4］ 盧秋紅，高志軍，顏國正，等.壓電型慣性微驅(qū)動器研究［J］.壓電與聲光.2004，26(2):112－115.

［5］ 劉品寬，孫立寧，劉濤，等.慣性沖擊式運動原理的理論分析與仿真［J］.中國機械工程，2004，15(24):2217－2221.

［6］ FURUTANI K，OHATA N. Positioning performance of L－shaped seal mechanismwith 3 degrees of freedom［C］//ceedings of the 2002 IEEE international conference on robotics ＆ automation，2002:3660－3665.

［7］ MENDES J，NISHMIURA M，TOMIZAWA K，et al. Prinetd board Positionnig system using impact［J］. SICE，1996，26(3):1123－1128.

［8］ 盧全國. 一種磁致伸縮式慣性沖擊微型直線電機:中國，ZL201010612116.2［P］.2011－04－06

［9］ 盧全國.基于GMM 的微致動研究及應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學，2007.

［10］ 盧全國，趙冉，曹清華.磁致伸縮式慣性沖擊電機驅(qū)動電源研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(8):72－73.

［11］ 趙冉，盧全國.基于Buck 電路的超磁致伸縮IDM 滯環(huán)電流控制［J］.微特電機，2013，41(12):64－65.