超磁致伸缩驱动器的控制算法研究

超磁致伸缩驱动器的控制算法研究

0超精密机床减振过程中的应用随着精细测量和精细加工技术的发展，人们对环境的振动有了极其严格的要求。在金属切削加工中,振动危害极大,不仅产生噪声,而且严重影响机床加工性能和加工工件质量,尤其对于超精密机床使用金刚石刀具作超精密切削时,要求机床工作极其平稳,振动极小,否则很难保证获得较高的加工精度和超光滑的表面质量。因此,减振就成为超精密加工中保障加工质量的关键技术之一。目前机床减振分为无源隔振和有源隔振,超精密机床的床身由空气弹簧支承,主轴箱和溜板亦为空气静压支承,由于主轴箱和溜板均为可移动部件,所以对振源激励的响应具有非确定性。传统的控制方法需要准确的数学模型,这在机床系统中是做不到的。采用先进的控制算法和性能优良的超磁致伸缩驱动器为超精密机床减振提供了新的方法。由于磁致伸缩材料(GiantMagnetostrictiveMaterial,简写为GMM)在较低的磁场强度下有较大的伸缩变形率,用它作驱动器,不但能提供较大的驱动力,而且还有体积小、反应敏捷等优点,其伸缩率是其它同功能类型材料伸缩率的几十倍以上。用GMM制作的驱动器具有变形大、响应快和低频特性好等特点。已广泛应用于超精密加工、纳米测量和液压伺服阀等方面。日本学者已利用超磁致伸缩驱动器(GiantMagnetostrictiveActuator,简写为GMA)研制出能控制振动量级在10-6g以内的隔振平台,我国也有几所高校开展了这方面的研究工作。以美国海军水面武器研究中心的K.Clark教授为首的大批专家对此开展了广泛的研究。十几年来,他们对磁致伸缩驱动器在材料性能、驱动器模型以及控制试验等方面作了大量的研究。虽然在开环控制及作为激振器方面取得了一些结果,但实际应用方面还没有见到比较满意的报道。本文从控制算法和超磁致伸缩驱动器的驱动电源(功率放大器)入手提出了GMA动态输出特性的改进方法。1超磁致伸缩器动态特性由于边界条件和自变量的差异,压磁方程具有不同的形式。我们最关心的是GMA具有最大磁致伸缩系数方向,即棒的轴向的变化。当激励磁场与棒的轴向平行时,可忽略横向激励、横向应力和剪切应力的影响,得到在棒长度方向的简化压磁方程为s33=sΗ33H33T3+d33H3(1)B3=d33T3+μΤ33T33H3(2)式中:s33代表材料的应变;T3为材料所受的应力;H3为材料内的磁场强度;B3为磁感应强度;d33为压磁常数;sΗ33H33为柔顺系数(H为常数时);μΤ33T33为磁导率(T为常数时)。(1)式可解释为,GMM中H所产生的应变与GMM所受外力产生的应变之和等于GMM总应变。(2)式可解释为,GMM中H所产生的磁感应强度与GMM所受外力产生的磁感应强度之和等于GMM总磁感应强度。静态位移力模型:一个带预压装置的GMA结构如图1。设GMM一端固定,另一端的位移为x。把输出顶杆看作刚体,则应变可表示为S=x/l,其中l为GMM棒的原长。把S作为s33代入(1)式得:x=l[sΗ33H33T3+d33H3](3)忽略漏磁通的情况下,由于定义时x通常取伸长方向为正方向,而T常指的是应力,常取拉应力为正。由磁路定理可得静态模型磁路磁动势为NI=ΦP(4)式中:Φ为磁路磁通;P为磁路总磁阻;N为线圈匝数;I为线圈电流;NI即为磁路的磁动势。忽略线圈的漏磁即认为磁力线全部穿过GMM。由电磁定律可知Φ=BA,其中A为GMM的截面积。设激励磁场平行于GMM长度方向,可得B=B3=Φ/A。代入(2)式得Φ=d33T3A+μΤ33T33H3A(5)将(3)～(5)式联立可得:x=l[(sΗ33-d233μΤ33)Τ3+d33ΝμΤ33AΡΙ](6)x=l[(sH33−d233μT33)T3+d33NμT33API](6)这就是GMA的静态下输入电流与输出位移关系式。由(6)式可看出x是T3与I的二元函数。在T3一定时,x与I为线性关系。从系数中还可看出,当磁路总磁阻小时,相同的电流可获得更大的位移。由(6)可推导出在单位阶跃电压输入作用下超磁致伸缩驱动器的位移输出简化模型为:x=l[sΗ33-d233μΤ33)Τ3+d33ΝμΤ33AΡΙ(1-2e-RtL+e2RtL)](7)式中:t为响应时间,L为线圈感抗,R为线圈等效电阻。对于外加控制电压来说,超磁致伸缩驱动器相当于一个感性元件。超磁致伸缩驱动器中GMM棒在由控制电压产生的变化的磁场的作用下产生位移输出,但由于在电学上GMA等效为一个电感,其输出速度不仅与自身等效电感的大小有关,而且还与所采用的驱动电源的品质有密切的关系,其驱动能力和响应特性直接影响超磁致伸缩驱动器的动态输出特性。分析表明,改变电感无法改善GMA的动态特性,因此必须在其控制系统中施加闭环校正,同时考虑驱动电源的特性。图2为实测的动态特性曲线,可以看出本超磁致伸缩驱动器的动态性能不好,响应时间没有达到最佳效果。因此,提高其响应速度,是需要迫切解决的一个问题。对微位移执行器进行动态特性仿真,结果表明,增加一个适当的校正环节,能较好地改善系统的动态特性,从而提高其响应速度。2gma动态特性校正GMA动态特性的改善,目前常用的方法是直接利用驱动信号源本身的特性来达到目的。但是这样做往往很难得到满意的校正结果。并且不同的单位研制的驱动信号源不同,得到的动态响应也不一样。在本文的实验研究中,我们用软件校正的方法来改善动态持性。鉴于本试验的GMA应用于一个典型的通用计算机测控系统中,GMA可看作具有感抗的元件,其动态响应慢,建立时间长,一般为数十毫秒到一百毫秒。为提高其响应速度,改善其动态特性。本文采用计算机PID调节器补偿方法来改善GMA的动态特性。动态特性校正原理框图如图3所示。这是采用计算机作为调节器的自动控制系统,测量系统测得y(t),通过A/D转换,并计算误差e(t)和控制量u,最后通过D/A电路输出到执行机构GMA,逐步使过程变量y(t)稳定到设定值,计算机的PID控制算法为uk=KP[ek+TD(ek+ek-1)/t](8)式中:KP、TD、t、uk分别为比例放大系数、微分时间常数、采样周期、t时刻施加于系统的控制信号。通过仿真确定PID调节器的参数,并由计算机系统(软件部分)通过PID数字调节器实现超磁致伸缩驱动器动态特性的超前补偿。3pma功率矩阵的设计3.1功率放大器/超磁致撕裂材料担保(1)功放电路应是一个在较大范围内连续可调的恒流源,以驱动负载线圈产生一定的磁场,使超磁致伸缩材料伸缩;(2)由于超磁致伸缩材料主要应用于微米/纳米技术领域,所以,功率放大器的稳流特性和稳定性要高,其输出的纹波电流也应控制在很小的范围内;(3)超磁致伸缩材料对外加控制信号的响应速度,主要取决于功放电路输出电流的响应速度,因此,功放电路应具有一定的频响;(4)功放电路的负载为一感性线圈,因此,输入信号与输出信号存在一定的相位差,应采取一定的措施进行超前补偿,同时还应该具有保护电路,以抑制开关电源等电流变化较大的场合所产生的瞬态电压对功率器件的冲击。3.2连续调整型恒流源的工作原理恒流源作为稳定电源的一个分支,按调整方式可分为直接调整型和间接调整型。由于恒流源器件的最大输出电流有限,因此,直接调整型恒流源在大的输出电流情况下应用较少。间接调整型恒流源按调整元件的工作状态不同,又可分为连续调整、开关调整和组合调整型恒流源。开关调整型恒流源虽效率较高,但输出纹波较大。而组合调整型恒流源的结构非常复杂,成本也较高。因此,我们采用稳定性能高,电路简单、可靠的连续调整型恒流源的工作原理,设计了超磁致伸缩执行器的功率放大器。对于其效率相对较低的缺点,可以采用乙类放大,并采用减少取样电阻的功耗等办法在一定范围内加以克服。根据连续调整型恒流源的基本原理并结合图4,图中A是放大器,它的一个输入端接输入电压Ui,另一输入端加入反馈电压IORS,由于放大器的作用,最终使输出电流在标准电阻RS上的压降和输入电压Vi近似相等,因此得到:IO=Ui/RS。由此可见,连续调整型恒流源的输出电流仅由输入电压和标准电阻决定,而与电源电压和负载变化无关。若使输入电压Ui在一定范围内连续可调,则可得到连续可调且稳定的输出电流。4pid校正后的动态特性动态校正采用数字PID方法,本文结合PID的参数整定,进行了大量实验,通过数据的记录、整理,绘制了一些调节曲线。其中,校正后的动态特性曲线如图5所示。经过PID校正后。动态特性响应时间由校正前的96ms提前到60ms。可见,校正前后的动态