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同轴集成式宏微复合驱动器的磁路建模分析与实验研究

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中国电机工程学报 2022年第16期42卷 6083-6093页

作者：喻曹丰王玉陈卓熊美俊史瑞肖志豪安徽理工大学机械工程学院安徽省淮南市232001

针对精密定位工作台大行程与高精度特性间的矛盾问题,将音圈电机(voice coil motor,VCM)与超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)结合,提出一种大行程、高精度特性的同轴集成式宏微复合驱动器。为优化驱动器的磁路结构... 详细信息

针对精密定位工作台大行程与高精度特性间的矛盾问题,将音圈电机(voice coil motor,VCM)与超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)结合,提出一种大行程、高精度特性的同轴集成式宏微复合驱动器。为优化驱动器的磁路结构,基于磁路法分别建立驱动器的宏动、微动及整体磁路模型,并采用有限元分析法,得到宏动永磁体结构、宏动磁轭相对磁导率以及宏动线圈电流对宏动磁路的影响规律和不同参数下宏、微磁场间的相互影响规律。为验证优化方案,在研制驱动器样机的基础上,搭建实验平台,测试驱动器的输出性能。研究结果显示:宏动永磁体采用6片瓦型结构,宏动磁轭的相对磁导率为400以上时,宏动力与宏动线圈电流之间近似成线性关系,且不同参数作用下,宏动磁场与微动磁场之间的相互影响均小于0.001Wb/m^(2),试制样机的宏动力最大可达53N,最大加速度可达6.7g,最大驱动行程达到47mm,最高定位误差仅为0.14μm。表明所提出的同轴集成式宏微复合驱动器的设计方案是合理可行的,为研发兼具高速、大行程和高精度特性的精密定位工作台奠定了理论与技术基础。

关键词：同轴集成超磁致伸缩驱动器音圈电机宏微复合驱动磁路建模

基于GMM的高性能微定位工作台驱动系统的研制

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机械工程学报 2019年第9期55卷 136-143页

作者：喻曹丰王传礼解甜杨林建姜志安徽理工大学机械工程学院

提高微定位工作台的性能是提升高端制造装备加工性能的重要方式之一,针对现有微定位工作台驱动系统存有驱动力小、行程短、定位精度低等问题,研制了一台以超磁致伸缩材料为核心元件微定位工作台的驱动系统。为提高驱动系统输出位移的建... 详细信息

提高微定位工作台的性能是提升高端制造装备加工性能的重要方式之一,针对现有微定位工作台驱动系统存有驱动力小、行程短、定位精度低等问题,研制了一台以超磁致伸缩材料为核心元件微定位工作台的驱动系统。为提高驱动系统输出位移的建模精度,以Jiles-Atherton磁滞模型为基础,建立该驱动系统的输出位移模型;为提高模型参数的辨识精度,将粒子群算法快速局部搜索性与人工鱼群算法全局收敛性相结合,提出一种高精度的混合优化参数辨识算法;为补偿驱动系统的输出位移误差,引入一种动态递归神经网络前馈-模糊PID反馈控制策略;为提高程序的执行效率,采用了高速DSP芯片开发控制系统;通过研制样机,搭建试验平台进行验证。结果表明:所研制驱动系统的最大位移为30.8μm,最大输出力为292.3 N,定位精度达到0.75μm,最大重复性误差为0.4μm,为研制高性能精密定位装置奠定了理论基础。

关键词：超磁致伸缩材料磁滞非线性混合优化算法控制策略

基于响应面法的超磁致伸缩高压共轨式喷油器响应时间优化

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工程设计学报 2024年

作者：喻曹丰胡逸凯段永勇魏梓贤王宁安徽理工大学机电工程学院浙江大学流体力学基础与机电系统国家重点实验室

为提高高压共轨式喷油器的动态响应特性，基于超磁致伸缩材料棒及液压换向机构，设计了一种超磁致伸缩高压共轨式喷油器的结构。在简述该喷油器整体设计和工作原理的基础上，考虑其驱动部分的磁滞非线性特征，基于Jiles-Atherton模型建... 详细信息

为提高高压共轨式喷油器的动态响应特性，基于超磁致伸缩材料棒及液压换向机构，设计了一种超磁致伸缩高压共轨式喷油器的结构。在简述该喷油器整体设计和工作原理的基础上，考虑其驱动部分的磁滞非线性特征，基于Jiles-Atherton模型建立了该喷油器的电-磁-机-液多场耦合模型；搭建了完整的超磁致伸缩喷油器仿真模型，选取针阀信号作为喷油特性评价指标，确定了针阀预紧力的最优值；采用响应面法优化分析了控制活塞直径、控制腔容积、进油孔直径和出油孔直径等参数，并基于拟合方程分析了优化后的参数对响应时间的影响。研究结果显示：相较于优化前，针阀的开启延迟降低了3.251%，开启时间降低了1.364%，关闭延迟降低了9.465%，关闭时间降低了14.848%，表明采用的优化方法可有效提高针阀的响应速度，改善喷油器的喷油特性，有助于提升喷油器的小油量喷油及多次喷油性能。

关键词：超磁致伸缩喷油器磁滞模型响应面法参数优化

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关于新型功能材料精密微驱动器的研究综述

微电机 2019年第7期52卷 72-81页

作者：解甜王传礼喻曹丰安徽理工大学机械工程学院

精密微驱动器是微机电系统的核心部件,是实现微器件运动的关键。微驱动器的工作原理主要是利用物体的物性效应(物理效应、化学效应、生物效应等)实现对目的物的驱动与操作,本质就是将光、电、热等多种形式的能量转换成为机械能输出,是... 详细信息

精密微驱动器是微机电系统的核心部件,是实现微器件运动的关键。微驱动器的工作原理主要是利用物体的物性效应(物理效应、化学效应、生物效应等)实现对目的物的驱动与操作,本质就是将光、电、热等多种形式的能量转换成为机械能输出,是近几年研究的热点。文章全面综述了电热式、磁致伸缩、电磁、压电陶瓷、静电和形状记忆合金几种微位移驱动器的原理、结构、特性及应用领域。

关键词：微驱动器静电驱动形状记忆合金驱动电磁驱动电热驱动压电驱动超磁致伸缩驱动

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超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究

功能材料 2016年第5期47卷 170-175页

作者：喻曹丰何涛王传礼邓海顺鲍焱安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

针对超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)具有磁滞非线性现象,以经典Jiles-Atherton模型为基础,建立了包含偏置磁场强度和预压应力的GMA磁滞非线性模型,进行了数值仿真分析,得到了偏置磁场强度和预压应力对GMA磁化... 详细信息

针对超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)具有磁滞非线性现象,以经典Jiles-Atherton模型为基础,建立了包含偏置磁场强度和预压应力的GMA磁滞非线性模型,进行了数值仿真分析,得到了偏置磁场强度和预压应力对GMA磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的影响规律。结果表明,偏置磁场强度对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较大,调整偏置磁场强度的大小,可改变磁化强度曲线的线性区间,并能抑制或消除磁致伸缩应变曲线的倍频效应;预压应力对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较小,施加不同的预压应力,可改变磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的变化率。这与现有试验得到的结论相吻合,验证了所建磁滞非线性模型的合理性。

关键词：超磁致伸缩驱动器磁滞非线性磁化强度磁致伸缩应变

基于GMA柔性换向放大机构的结构设计与优化

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机械传动 2019年第10期43卷 62-67页

作者：徐彬王传礼喻曹丰解甜安徽理工大学机械工程学院

设计了一种以超磁致伸缩驱动器(GMA)为驱动单元,以杠杆式柔性铰链进行位移换向放大的微位移传递机构。根据弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,运用Matlab软件优化分... 详细信息

设计了一种以超磁致伸缩驱动器(GMA)为驱动单元,以杠杆式柔性铰链进行位移换向放大的微位移传递机构。根据弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,运用Matlab软件优化分析柔性铰链的切割半径R和最小厚度t等几何参数,获得了柔性铰链几何参数的最优值,并对优化后的结果进行有限元分析,最后,将仿真结果与理论分析结果进行了对比。研究结果表明,理论分析与有限元分析验证了理论模型的正确性,实现了机构放大倍数高、位移换向呈直线输出的设计目标。

关键词：柔性换向放大机构柔性铰链超磁致伸缩驱动器(GMA) 有限元分析优化设计

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超磁致伸缩驱动器磁致伸缩模型的有限元分析

机床与液压 2016年第13期44卷 120-124页

作者：喻曹丰王传礼魏本柱安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

超磁致伸缩驱动器具有响应速度快、输出力大、磁机耦合系数高等诸多优点,但因其磁致伸缩模型具有磁滞非线性特性,在设计超磁致伸缩驱动器过程中,主要是建立准确描述其磁滞非线性的数学模型。为有效提高超磁致伸缩驱动器的设计效率,以磁... 详细信息

超磁致伸缩驱动器具有响应速度快、输出力大、磁机耦合系数高等诸多优点,但因其磁致伸缩模型具有磁滞非线性特性,在设计超磁致伸缩驱动器过程中,主要是建立准确描述其磁滞非线性的数学模型。为有效提高超磁致伸缩驱动器的设计效率,以磁致伸缩产生机制为基础,将Jiles-Atherton磁滞模型和压磁方程结合,建立超磁致伸缩驱动器的非线性本构模型,并推导超磁致伸缩驱动器机械应力场弱解形式的控制方程。最后,基于有限元方法在COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件平台中实现其磁致伸缩模型的仿真,得出了一种高效率的超磁致伸缩驱动器的设计方法。

关键词：超磁致伸缩驱动器 Jiles-Atherton磁滞模型设计效率

基于FPGA的三相SPWM变频变压电源的研究

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现代电子技术 2020年第2期43卷 9-13页

作者：徐彬王传礼喻曹丰解甜安徽理工大学机械工程学院

针对传统的变频变压电源采用的模拟控制技术的不足,设计一种基于FPGA的三相SPWM变频变压电源。对主要的硬件电路和基于FPGA的数字控制电路进行研究;分析SPWM波的调频调压原理;通过改变频率控制字来控制开关管生成频率可调的电压,调节调... 详细信息

针对传统的变频变压电源采用的模拟控制技术的不足,设计一种基于FPGA的三相SPWM变频变压电源。对主要的硬件电路和基于FPGA的数字控制电路进行研究;分析SPWM波的调频调压原理;通过改变频率控制字来控制开关管生成频率可调的电压,调节调制度和PWM波的占空比来调节输出电压幅值。研究结果表明,系统实现了输出频率和幅值可调的三相正弦交流电,相位彼此相差为120°,输出电压幅值在0~25 V内可调,输出频率在0~100 Hz范围内以0.1 Hz的精度调节。仿真与实验结果证实了该设计方案的准确性和可行性。

关键词：变频变压电源三相SPWM FPGA 逆变电路频率控制字调制度占空比

基于Halbach阵列宏微复合驱动器的输出力优化研究

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机床与液压 2024年第13期52卷 37-42页

作者：喻曹丰杨坤郑爽魏益军陶雪枫安徽理工大学机电工程学院安徽淮南232001 浙江大学流体动力基础件与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027

为提升宏微复合驱动器的输出力以及改善输出力波动,采用将永磁体进行Halbach阵列方式布置,并通过添加辅助磁轭来改变宏动线圈与永磁体的相对位置两种方法结合的方案。为验证优化方案的有效性,采用有限元电磁场仿真,分析宏微复合驱动器... 详细信息

为提升宏微复合驱动器的输出力以及改善输出力波动,采用将永磁体进行Halbach阵列方式布置,并通过添加辅助磁轭来改变宏动线圈与永磁体的相对位置两种方法结合的方案。为验证优化方案的有效性,采用有限元电磁场仿真,分析宏微复合驱动器优化前后的输出力变化,并以提高输出力和降低输出力波动为目标,得出了Halbach阵列的永磁体最佳尺寸。最后搭建实验平台验证了优化方案的合理性。结果表明:优化方案使宏微复合驱动器在电流大小为4 A时,输出力达到95 N左右,输出力波动减小为23 N左右,验证了优化方案的合理性。

关键词： Halbach阵列宏微复合驱动器输出力优化精密定位