超磁致伸縮執行器精密位移控制研究

王繼驍　邵青偉　趙俊杰

摘 要：超磁致伸縮材料（GMM）是一種新型的功能性材料，具有應變大、可控精度高等優點，是研制精密驅動器的理想材料。本文闡述了在交變磁場中超磁致伸縮棒產生震動，通過對超磁致伸縮執行器（GMA）進行控制，使其輸出的震動位移在我們要求的位移誤差范圍內，建立了超磁致伸縮位移控制模型并搭建了實驗平臺，最終實現了GMA的振動位移誤差在1μm的誤差范圍內，GMA的輸出達到了理想精度要求。

關鍵詞：超磁致伸縮制動器；控制方法；濾波方法；交變磁場

中圖分類號：TN712.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0072-02

Research on Precision Displacement Control

of Giant Magnetostrictive Actuator

WANG Jixiao SHAO Qingwei ZHAO Junjie

（Shenyang University of Technology， Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： Giant magnetostrictive material （GMM） is a new type of functional material with the advantages of large strain and high controllability. It is an ideal material for the development of precision actuators. This paper described the generation of vibrations in an alternating magnetic field by controlling the Giant Magnetostrictive Actuator （GMA） so that the output vibrational displacement was within the range of the displacement error we require. The displacement control model was extended and the experimental platform was set up. Finally， the vibration displacement error of GMA was within the error range of 1μm， and the output of GMA reaches the ideal accuracy requirement.

Keywords： giant magnetostrictive brake；control method；filtering method；alternating magnetic field

超磁致伸縮材料（GMM）是20世紀70年代迅速發展起來的智能材料，具有伸縮系數大、機電耦合系數大、響應速度快、承載力強等優點[1]。在外加磁場的作用下，GMM會沿磁化方向發生伸長或縮短變形，利用這一原理制成的超磁致伸縮驅動器（GMA）具有響應時間短、負載力大、低頻性能好等特點。基于其特性設計出的前饋逆補償PID控制器用于大行程GMA驅動位移精密控制，得到納米級別的定位精度。本文采用LMS算法對GMA進行實時控制，控制方法不依賴于物理模型，因此較為方便簡捷。

1 超磁致伸縮執行器（GMA）的結構模型

本實驗所用到的超磁致伸縮執行器的總體結構主要包括：碟形彈簧、傳動軸、不銹鋼上蓋、預緊螺母、螺栓、緊固螺母、不銹鋼中蓋、上導磁片、純鐵套筒、不銹鋼套筒、上導磁塊、線圈骨架、GMM棒、下導磁塊、防磁鋼圈、下導磁片、不銹鋼底座和線圈，共18個部分組成。在GMA整體系統中，將GMM固定在底座，頂端自由無約束且無任何能量損失的圓柱形棒體。

實驗中使用的超磁致伸縮棒的長度為44mm、直徑為12mm大小的TbDyFe材料，線圈匝數為600匝。試驗系統利用日本NF可控電源為GMA提供交流電，激光位移傳感器在傳動軸處采集位移信號，通過PCI-1741U板卡采集信號到計算機，通過Labview與Matlab結合進行信號處理與控制編程。

2 LMS算法的基本原理

LMS算法基本原理如圖1所示。

輸出信號[yn]為激光位移傳感器采集到的一系列震動位移信號：

[yn]=[i=0N-1winxn-i=WTnXn] （1）

定義權向量：

[Wn=W1n，W2n，…，WN-1nT] （2）

[Xn=xn，xn-1，…，xn-N+1T] （3）

令[dn]代表“所期望的輸出位移”，并定義誤差信號：

[en=dn-yn] （4）

誤差信號的平方值近似該時刻的均方誤差：

[εn≈e2n=dn-yn2] （5）

[?n=?e2n?W=-2enXn] （6）

通過最陡下降法可以得到[Wn]的迭代公式：

[Wn+1=Wn-μ?n] （7）

[μ]為收斂因子，[?n]為期望位移與實際位移的均方誤差。LMS算法就是根據式（7）不斷調節輸出信號控制電源使輸出位移的誤差[en]達到最小值。

3 超磁致伸縮執行器的控制方法

GMA驅動器的控制原理：通過PCI-1741U板卡采集激光位移傳感器的輸出位移信號導入到LabVIEW中，然后通過控制程序給電源加載交變電壓信號，控制器通過不斷調節輸出的電壓信號，使GMA的輸出位移不斷改變，從而達到我們所需要得到的控制精度。

設激光位移傳感器的輸入位移信號為[yn]，所期望的位移為[dn]，輸入的一組初始值為[Xn]，[μ]為收斂系數，取0.2，則根據第一次輸入的一組信號求出[yn]的初始值為：

[yn=wn*Xn] （8）

求出期望信號與實際輸出信號的誤差：

[en=dn-yn] （9）

根據LMS算法中最陡下降法原理最終求出：

[wn=wn+2*μ*en*Xn] （10）

通過對輸出的[yn]反復進行控制最終達到理想的期望信號。

為了驗證辨識算法的有效性，分別以頻率為30Hz，幅值為[40μm]的期望信號和[60μm]的期望信號進行控制，控制收斂因子[μ]設為0.02，控制輸入初始值[Xn]取第一次輸入的激光位移傳感器的輸出信號，控制系統以初始值0.1A，30Hz的電流進行第一次輸入。激光位移傳感器對應位移為：0.001V對應2.5μm，實驗結果如圖2所示。藍色實線代表初始位移波形，紅色實線代表控制后激光位移傳感器輸出的波形。通過BP4610雙極性電源讀取控制后的電流分別對應為[40μm]對應的電流值為0.7A，[60μm]對應的電流值為1.2A。

通過對比圖可以看出，在期望位移為[40μm]的控制下電流值為0.7A，期望位移[60μm]的控制下電流值為1.2A。誤差小于0.000 4V的激光位移傳感器采集電壓，對應的控制位移誤差小于1μm，對應最終控制電流為0.7A，30Hz的交流電，實驗結果達到理想的控制目的。

4 結論

通過上述理論分析以及實驗研究可以得出以下結論：通過LMS算法對GMA進行控制可以得到一個比較高的精度，其誤差在1μm范圍內，對其精度的控制已經達到一個理想的范圍。雖然控制過程中還存在噪聲的干擾，且由于其參考電壓的數值比較小，造成控制過程中還是會產生一定的偏差，但該控制方法與實驗為以后的研究及應用奠定了一定的基礎。

參考文獻：

[1]徐彭有.超磁致伸縮驅動器精密位移驅動控制研究[D].上海：上海交通大學，2010.