Terfenol-D懸臂梁驅動慣性沖擊電機模型及運動性能

趙 冉，盧全國

(南昌工程學院，南昌 330099)

Terfenol-D懸臂梁驅動慣性沖擊電機模型及運動性能

趙 冉，盧全國

(南昌工程學院，南昌 330099)

提出了一種新式的無纜驅動磁致伸縮慣性沖擊電機，該電機以Terfenol-D懸臂梁作為驅動元件，能實現較低驅動磁場下的步進動作。此外，對電機的結構和工作原理進行了分析，并根據電機結構建立了動力學模型，最后通過實驗驗證了所提出的模型。實驗結果表明，電機的工作頻率為5～45 Hz，最小步長為0.38 μm，電機運動精度較高，且實現了無纜驅動。

磁致伸縮材料；懸臂梁；慣性沖擊電機；無纜驅動

0 引 言

近年來，精密定位與精密驅動技術在光學、生物醫藥、機器人等領域得到了越來越多的應用。其中，慣性沖擊電機作為一種精密的位移輸出裝置得到了廣泛研究。采用包括壓電、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金等各種智能材料作為驅動元件，利用慣性沖擊原理實現直線運動的各種新型慣性沖擊電機不斷見諸報道[1-4]。壓電式慣性沖擊電機由于結構簡單、工作頻率高等優點已經實現工業化應用，而磁致伸縮慣性沖擊電機由于驅動力大，功率密度高也有著良好的發展前景。

然而，無論壓電式還是磁致伸縮式慣性沖擊電機，其傳統結構中電機都需要與電源驅動線相連[5-7]，這對慣性沖擊電機的運動精度及工作條件都會造成不利影響。因此，如果能研制出一種無纜驅動的慣性沖擊電機，將使電機的工作性能及應用條件得到很大改善。

為此，我們提出了一種新型結構的磁致伸縮慣性沖擊電機[8]，電機采用Terfenol-D懸臂梁作為驅動元件，依靠慣性沖擊原理實現步進運動。然后，對慣性沖擊電機的結構與工作原理進行了分析，根據其結構建立了電機的動力學模型。最后根據實驗對慣性沖擊電機的性能進行了測試，并驗證了動力學模型的正確性。實驗結果表明，電機的工作頻率為5～45 Hz，最小步長為0.38 μm，電機實現了無纜驅動，具有較高的運動精度。

1 結構與工作原理

1.1電機結構

懸臂梁驅動慣性沖擊電機如下結構如圖1所示，如圖1(a)為電機的主體結構，包括主體滑塊、Terfenol-D懸臂梁、配重塊。其中Terfenol-D懸臂梁以熱處理后的鈹銅作為基底，采用尺寸為1.2mm×0.4 mm×1 mm的Terfenol-D薄片(每個懸臂梁各7片)并以結構膠粘結。配重塊和滑塊均采用銅材料圖1(b)所示為電機的整體轉配圖，包括兩驅動線圈、滑動導軌。其中，滑軌采用銅材料，驅動線圈外殼采用導磁材料。當給驅動線圈通以鋸齒波驅動電流，在磁場作用下，主體滑塊借由慣性沖擊作用實現直線步進運動。根據此結構，電機的線圈與磁致伸縮材料相互獨立，電機本身不受電源連接線的干擾，實現了無纜驅動。

(a)電機主體(b)整體裝配

圖1Terfenol-D懸臂梁驅動慣性沖擊電機結構

1.2工作原理

慣性沖擊電機的工作原理如圖2所示，根據電機結構和其驅動方式，慣性沖擊電機的運動狀態可分為3個階段，如下：

(1)靜止相，此時驅動線圈內未通以激勵電流，慣性沖擊電機靜止不動。

(2)伸展相，驅動線圈內通以緩慢上升的激勵電流，Terfenol-D懸臂梁在磁場作用下向右彎曲。

(3)收縮相，驅動線圈內激勵電流快速下降，磁場消失，Terfenol-D懸臂梁快速恢復，在慣性沖擊作用下電機主體滑塊向右移動。

改變驅動信號變化順序，令電流先快速上升再緩慢下降，則可實現反向運動。

圖2 電機工作原理

2 電機模型

電機所采用的驅動核心元件Terfenol-D復合懸臂梁是較為復雜的耦合系統，采用方通方法對懸臂梁進行建模會使慣性沖擊電機模型變得十分復雜，并使其運動方程的求解變得更加困難。因此，我們采用一種更為簡單的方法，即利用彈簧-質量-阻尼模型[9-10]對Terfenol-D懸臂梁進行建模。Terfenol-D懸臂梁驅動慣性沖擊電機動力學模型如圖3所示，其中M為主體滑塊與懸臂梁質量之和，m1和m2分別為兩配重塊質量，K1，K2為懸臂梁的剛度系數，C1，C2為懸臂梁的阻尼，F1，F2為磁致伸縮材料所產生的驅動力，f為電機所受到的摩擦力，x1，x2和X分別為配重塊和主體滑塊所產生的位移。為了方便分析，可認為兩懸臂梁的及配重塊的參數完全相同，即認為m1=m2=m，K1=K2=K，C1=C2=C。在此條件下，在電機運動過程中配重塊m1和m2所產生的位移相等，即x1=x2。

圖3 慣性沖擊電機的動力學模型

根據所建立的動力學模型，可以得到慣性沖擊電機的運動方程：

(1)

F=Klλ

(2)

式中：λ為磁致伸縮系數，l為Terfenol-D材料沿磁場方向的長度。

假定在運動過程中，慣性沖擊電機所受摩擦力恒定不變，則摩擦力f可表示：

f=μs(M+2m)g

(3)

式中：μs為摩擦系數；g為重力加速度。

3 仿真與實驗結果

為驗證所設計磁致伸縮慣性沖擊電機的運動性能，搭建實驗平臺對電機進行測試。實驗系統采用信號發生器產生鋸齒波信號，并利用功放將鋸齒波信號進行放大以驅動慣性沖擊電機，同時使用激光位移傳感器測量電機的步長及運動速度。通過實驗，將電機實際運動曲線與上文中模型理論計算結果進行對比，模型中所采用的參數如表1所示。

表1 慣性沖擊電機相關參數

圖4為在0.8A，22Hz驅動電流下，電機步進運動的實驗數據與仿真計算對比。圖中較為平滑的曲線為仿真計算結果，帶有毛刺的曲線為電機實際步進運動曲線。實際運動曲線存在毛刺說明電機在運動過程中發生振動，這是由于導軌與滑塊表面粗糙度不一致且電機在運動過程所受摩擦力發生變化所造成的。由圖可知電機的步長為0.38μm，仿真計算結果與實驗結果相符。

圖4 實驗數據與仿真計算對比

圖5中分別給出了激勵電流為0.8 A 時，電機在10 Hz，15 Hz，20 Hz和30 Hz工作頻率下的運動軌跡。電機在這些頻率下的實際運動速度分別為3.5 μm/s，5.625 μm/s，7.5 μm/s和11.375 μm/s；而理論計算值分別為3.8 μm/s，5.7 μm/s，7.9 μm/s和11.4 μm/s，理論計算值與實驗數據較為接近。由實驗數據可知，Terfenol-D懸臂梁驅動慣性沖擊電機的工作頻率為10～30 Hz，范圍較窄，這是由于懸臂梁等效剛度系數小，且Gafenol材料所產生的驅動力較小所造成的。

圖5 電機在不同工作頻率下的運動軌跡

4 結 語

(1) 論文中提出的新型磁致伸縮慣性沖擊電機，利用Terfenol-D懸臂梁最為驅動元件，能夠在較低的激勵電流下實現步進動作，并實現無纜驅動。

(2) 對所提出的慣性沖擊電機的結構和工作原理進行了分析，其工作原理與傳統慣性沖擊電機相似，易于控制。并根據電機結構進行了建模，得到了電機的運動方程，利用此方程可對電機的步長和運動速度進行仿真計算。

(3) 實驗結果表明，電機具有較好的運動精度，其工作平率范圍為10～30 Hz，最小步長為0.38 μm。

(4) 本文所提出的電機能夠在較低磁場下工作，且實現了無纜驅動，可望在更多的場合得到應用。

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TheModelandMotionBehaviorofTerfenol-DCantileverBeamDrivingInertiaImpactMotor

ZHAORan，LUQuan-guo

(Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)

A novel magnetostrictive impact inertia impact motor without driving cable was presented.The proposed motor was driven by two Terfenol-D cantilever beams, and can performance step motion under low excitation magnetic field. In addition, the structure and working principle of the motor was analyzed, and the dynamic model was established according to the motor structure. Finally, the model was verified by experiments. And the experimental results show that the operating frequency of the motor is 5～45 Hz, the minimum step size is 0.38 μm, the motor has higher precision and can be driven without cable.

magnetostrictive materials; cantilever beam; inertia impact motor; cableless driven

2016-04-27

國家自然科學基金項目(51165035)；江西省高校科技落地計劃(KJLD14094)；南昌工程學院青年基金項目(2014KJ011)

TM35

：A

：1004-7018(2016)11-0001-02

趙冉(1982-)，博士研究生，講師，主要研究方向為磁致伸縮材料與器件。