盧全國(guó)，趙 冉，祝志芳

(南昌工程學(xué)院，南昌330099)

0 引 言

慣性沖擊電機(jī)是利用慣性沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種精密驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它具有運(yùn)動(dòng)范圍大、位移分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并可在進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位［1］。目前，慣性沖擊電機(jī)已在生物工程、微型零件操作與裝配、機(jī)器人和醫(yī)療器械等領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用［2－3］。

現(xiàn)有的慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)一般采用壓電功能材料驅(qū)動(dòng)，也就是利用壓電陶瓷晶體逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。壓電式慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)是利用壓電材料在迅速通電或斷電時(shí)的快速變形產(chǎn)生慣性沖擊，繼而形成驅(qū)動(dòng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)精密位移的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［4－5］。上海大學(xué)研究了圓形壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)尺寸16 mm ×9 mm，重9.5 g，可以在直徑為20 mm 的管道內(nèi)移動(dòng)。臺(tái)灣國(guó)立高雄第一科技大學(xué)研制了慣性沖擊精密定位工作臺(tái)，整個(gè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量為187 g，定位精度可達(dá)到10 nm。國(guó)外關(guān)于壓電慣性式精密驅(qū)動(dòng)器的研究開展更為廣泛，并已初步應(yīng)用于精密加工、醫(yī)學(xué)工程、光學(xué)精密工程等領(lǐng)域［6－7］。但是由于壓電材料存在有纜驅(qū)動(dòng)、變形量小、功率密度小、高電壓驅(qū)動(dòng)的不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的壓電式慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)存在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差、運(yùn)動(dòng)速度慢、負(fù)載能力弱、可靠性低的問題，因而在較大功率場(chǎng)合應(yīng)用受到限制。

針對(duì)現(xiàn)有慣性沖擊電機(jī)的不足，本文提出以超磁致伸縮材料為驅(qū)動(dòng)源，構(gòu)造一種新型的慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)［8］。超磁致伸縮材料是一種功能材料，它采用稀土元素鋱、鏑與金屬鐵，按一定比例進(jìn)行熔煉并定向結(jié)晶得到的合金，其磁致伸縮系數(shù)比鐵、鎳等傳統(tǒng)磁致伸縮材料高100 倍左右，因此被稱為巨或超磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料能有效地實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、變形量大、輸出力大、能量密度大、機(jī)電耦合系數(shù)大、響應(yīng)速度快、低壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)［9］，適于構(gòu)造各種精密驅(qū)動(dòng)器件。

1 工作原理及驅(qū)動(dòng)策略

1.1 工作原理

根據(jù)Higuchi T 等人提出的慣性沖擊式工作原理［9］和超磁致伸縮材料特點(diǎn)，所提出的新型慣性沖擊式直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 磁致伸縮慣性沖擊直線電動(dòng)機(jī)示意圖

通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)將超磁致伸縮棒一端固接慣性質(zhì)量塊，另一端固接移動(dòng)體，磁致伸縮棒外部繞有電磁線圈。另外，結(jié)構(gòu)中需要預(yù)緊裝置，采用彈簧可提供一定的預(yù)壓力，以消除間隙，特別當(dāng)電磁線圈上的電流減小，超磁致伸縮棒回縮時(shí)，彈簧迫使質(zhì)量塊回位，使質(zhì)量塊始終與超磁致伸縮棒緊密接觸。

對(duì)慣性沖擊式直線電動(dòng)機(jī)施加快升緩降或緩升快降的鋸齒波信號(hào)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)元件和慣性質(zhì)量塊組成的沖擊體會(huì)對(duì)電機(jī)主體產(chǎn)生慣性沖擊力。當(dāng)這個(gè)反向沖擊力大于移動(dòng)體與外界的摩擦力時(shí)，機(jī)構(gòu)就可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng);當(dāng)這個(gè)反向沖擊力小于或等于移動(dòng)體與外界的摩擦力時(shí)，機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)。通過控制信號(hào)的頻率、波形和幅值，能夠?qū)崿F(xiàn)不同步長(zhǎng)的雙向連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 驅(qū)動(dòng)策略

無(wú)論壓電式還是磁致伸縮式慣性沖擊電機(jī)，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式都是采用連續(xù)的鋸齒波信號(hào)。對(duì)于磁致伸縮式慣性直線電動(dòng)機(jī)而言，需采用鋸齒波電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［10］。由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線圈電感量較大，易產(chǎn)生反向的拖尾電流，這就需要對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制［11］，從而增加了驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性。為解決這一問題，本文采用了一種變頻式的驅(qū)動(dòng)控制策略，如圖2 所示，驅(qū)動(dòng)電流采用等占空比的鋸齒波電流，通過電流幅值控制直線電動(dòng)機(jī)的位移長(zhǎng)度，通過改變頻率控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。在鋸齒波驅(qū)動(dòng)電流i 的作用下，慣性沖擊電機(jī)將產(chǎn)生圖2 中階梯狀的步進(jìn)位移，步長(zhǎng)以Δx 來(lái)表示。

圖2 控制策略

驅(qū)動(dòng)電流的函數(shù)表達(dá)式可用下式表示:

式中:T 為鋸齒波函數(shù)的周期;k 為斜率。

2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)上文所述的電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理，慣性沖擊電機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要與磁致伸縮材料的形變有關(guān)。已知磁致伸縮材料的形變與壓應(yīng)力及磁場(chǎng)之間的關(guān)系可由線性壓磁方程來(lái)描述:

式中:ε 為材料的總應(yīng)變;σ 為材料所受應(yīng)力(取拉應(yīng)力為正方向);d33為壓磁系數(shù);EH為楊氏模量;μ為材料相對(duì)磁導(dǎo)率。

在磁場(chǎng)作用下，磁致伸縮棒的長(zhǎng)度變化為Δlr，在理想情況下，它等于慣性直線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)Δx。根據(jù)式(2)可得到步長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)(電流)之間的關(guān)系［8］:

式中:lr為磁致伸縮棒長(zhǎng)度;N 為驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù);kcoil為驅(qū)動(dòng)線圈補(bǔ)償系數(shù);i 為驅(qū)動(dòng)電流。

由式(3)，慣性沖擊電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度v 可以表達(dá):

根據(jù)式(3)、式(4)可對(duì)電機(jī)的行進(jìn)步長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)慣性直線電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制提供了條件。根據(jù)式(4)計(jì)算電機(jī)的運(yùn)行速度，在3 A，40 Hz 條件下，可以計(jì)算得到電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度值為51 μm/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文中所設(shè)計(jì)的慣性直線電動(dòng)機(jī)如圖3 所示，圖中①為配重塊，②為電機(jī)主體(包含磁致伸縮棒與線圈)，③為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。電機(jī)的基本參數(shù):磁致伸縮棒尺寸為Φ50 mm ×100 mm;線圈匝數(shù)為1 200匝;驅(qū)動(dòng)線圈補(bǔ)償系數(shù)取1.11;壓磁系數(shù)取18.86 ×10－3T/MPa;磁致伸縮棒直徑為8 mm，配重塊質(zhì)量為0.06 kg。

圖3 慣性直線電動(dòng)機(jī)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)慣性沖擊電機(jī)的工作性能，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4 所示，對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。圖中功放AE－7224 將鋸齒波信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，激光傳感器用于測(cè)量電機(jī)的步長(zhǎng)及運(yùn)動(dòng)速度。

圖4 磁致伸縮慣性沖擊電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 為電機(jī)在3 A，40 Hz 驅(qū)動(dòng)電流條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡，其運(yùn)動(dòng)速度為50 μm/s。而根據(jù)式(3)，在3 A 的驅(qū)動(dòng)電流下，電機(jī)所得到的最大理想步長(zhǎng)計(jì)算值為1.275 μm。由式(4)可以得到電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算值為51 μm/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文所給的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算值較為符合，表明了理論計(jì)算的有效性。

圖5 3 A，40 Hz 驅(qū)動(dòng)電流下電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 為電機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的頻率不斷升高時(shí)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度也隨之增加。電機(jī)的最高運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)250 μm/s，且運(yùn)動(dòng)線性度較好。

圖6 不同驅(qū)動(dòng)頻率下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種磁致伸縮棒伸縮式慣性直線電動(dòng)機(jī)，并采用了一種新的變頻控制策略來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外本文還根據(jù)線性壓磁方程給出了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，該方程能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算電機(jī)的步長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)速度。最后對(duì)電機(jī)的工作性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電機(jī)具有良好的線性度，其工作頻率可達(dá)100 Hz，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)250 μm/s。

［1］ 張宏壯，程光明，曾平，等.壓電雙晶片型2 自由度精密驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，(2):87－91.

［2］ 姜楠，劉俊標(biāo). 慣性沖擊馬達(dá)的建模與仿真［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(24):7711－7714.

［3］ 曾平，溫建明，程光明，等. 新型慣性式壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究［J］.光學(xué)精密工程，2006，14(4):623－627.

［4］ 盧秋紅，高志軍，顏國(guó)正，等.壓電型慣性微驅(qū)動(dòng)器研究［J］.壓電與聲光.2004，26(2):112－115.

［5］ 劉品寬，孫立寧，劉濤，等.慣性沖擊式運(yùn)動(dòng)原理的理論分析與仿真［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(24):2217－2221.

［6］ FURUTANI K，OHATA N. Positioning performance of L－shaped seal mechanismwith 3 degrees of freedom［C］//ceedings of the 2002 IEEE international conference on robotics ＆ automation，2002:3660－3665.

［7］ MENDES J，NISHMIURA M，TOMIZAWA K，et al. Prinetd board Positionnig system using impact［J］. SICE，1996，26(3):1123－1128.

［8］ 盧全國(guó). 一種磁致伸縮式慣性沖擊微型直線電機(jī):中國(guó)，ZL201010612116.2［P］.2011－04－06

［9］ 盧全國(guó).基于GMM 的微致動(dòng)研究及應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［10］ 盧全國(guó)，趙冉，曹清華.磁致伸縮式慣性沖擊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源研究［J］.電力電子技術(shù)，2013，47(8):72－73.

［11］ 趙冉，盧全國(guó).基于Buck 電路的超磁致伸縮IDM 滯環(huán)電流控制［J］.微特電機(jī)，2013，41(12):64－65.