[发明专利]超磁致微位移驱动系统的设计

说明书

技术领域

本发明的技术方案设计了超磁致微位移驱动系统，具体地说是根据该系统的实际工作特性对其两部分：微位移驱动器和外围电路进行了较好地设计。

背景技术

随着科技的发展，超精密加工技术的要求越来越高，这也增加了对微位移驱动和定位技术发展的要求。传统的微位移驱动器的驱动材料多采用热膨胀元件和压电陶瓷，由于在这类材料中普遍存在伸缩应变量小、反应时间长、驱动结构复杂、易老化等问题，严重影响了驱动器工作范围的扩大和控制精度的提高。超磁致伸缩材料(Tb_0.27Dy_0.73Fe_1.93)是一种新型的功能材料，磁致伸缩应变大、响应速度快、能量密度高等是该类材料的显著特点，因其优异的性能、被广泛应用于纳米驱动器和传感器等领域。

针对目前微位移驱动器普遍存在的问题，基于超磁致伸缩材料的伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快、输出功率大的优点，将超磁致伸缩材料引入到微位移驱动器中，充分发挥超磁致伸缩材料特性上的优点，研制出的超磁致伸缩微位移驱动器，将克服目前微位移驱动器由于工作机理的原因所普遍存在的一些缺点，在很多领域得到广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：根据超磁致微位移驱动系统的实际工作特性，通过对其微位移驱动器和外围电路两部分进行较好地设计，使得该系统不仅恒流源线性度良好，驱动系统精度较高，而且基于微位移驱动器的闭坏控制系统具有较好的输出特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：超磁致微位移驱动系统的设计，在结构设计方面，采用磁性材料将超磁致伸缩棒上下及四周构成闭合磁路，以其内磁场的均匀性且可以减少漏磁；对于驱动形式，采用了恒流源驱动，设计了高稳定度的压控连续可调型双向恒流源作为驱动器的输入来提供驱动磁场；同时，采用基于磁感应强度的闭环控制系统，设计了基于DSP微处理器的高精度控制电路，采用霍尔传感器对磁感应强度进行监测，进行闭环控制，以通过对磁感应强度的监测来实现对输出位移的控制。

上述超磁致微位移驱动系统的设计，所述的结构设计见附图2，由柔性铰链输出机构、磁致伸缩棒、预紧机构、通电螺线管、外壳和永久磁铁等组成闭合磁路，其中输出机构、预紧机构、外壳采用导磁材料以防止漏磁，提高螺线管内磁场的均匀性，并且不会与外部的仪器和设备相互干扰。

上述超磁致微位移驱动系统的设计，所述的驱动形式见附图3，采用了螺线管线圈作为驱动元件产生驱动磁场，永磁材料产生偏置磁场的驱动形式。永磁体材料的特点是矫顽力大，剩磁也大，磁滞回线所包围的面积大，若将其制成磁体，经外磁场磁化，去掉磁化场后仍能对外保持磁场，即使在较大的反磁场下也仍保留较强的磁感应强度，传统上永磁体材料指的是铝镍钴和铁氧体，但由于这些永磁材料的剩余磁感应强度及矫顽力相对来说都比较小，因而在本磁场设计中采用铷铁硼材料作为永磁铁，产生偏置磁场。同时，永久磁铁的使用也可以缩小驱动线圈的体积，使结构更加紧凑，进而缩小驱动器的结构，有利于系统在精密定位场合的应用。

上述超磁致微位移驱动系统的设计，所述的基于磁感应强度的闭环控制系统见附图4，通过电流控制系统来控制微位移驱动器中螺线管线圈中的电流来改变驱动磁场大小，从而控制驱动器的位移输出。将输出位移量和磁感应强度的测量值反馈到计算机中并进行实时的监测。同时，通过设计的高精度温度传感器监测驱动系统中的温度，通过温度控制系统将工作温度尽量控制在恒温状态。此外，还设计了基于DSP微处理技术的控制电路，采用了低通滤波接口电路和多路高精度、快速A/D和D/A转换器，通过RS-232串行口和USB通讯接口，实现与上位微机之间的数据交换或微机控制。在实际工作时，将整个实验装置置于防震平台上，以防止周围环境的干扰。

本发明的有益效果是：①恒流源线性度良好，驱动系统精度较高；②基于微位移驱动器的闭环控制系统具有较好的输出特性，具有较高的通用性和工程实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明超磁致微位移驱动系统的总体设计示意图。

图2为本发明超磁致微位移驱动系统的结构设计图。

图3为本发明超磁致微位移驱动系统的驱动形式原理简图。

图4为本发明超磁致微位移驱动系统的控制系统原理框图。

具体实施方式