超磁致伸缩直线电机的结构设计及控制系统的研究

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超磁致伸缩材料具有应变大、输出力大、位移分辨率高、响应速度快,能量密度高等优点,在精密光学工程、微机电系统、航空航天技术等尖端科技领域,显示出广阔的应用前景。目前,利用超磁致伸缩材料制作的直线电机也逐渐成为国内外研究的热点,超磁致伸缩直线电机基于尺蠖运动原理,以超磁致伸缩致动器为核心元件。本文以直线电机为研究目标,从结构设计、控制系统的分析、设计及相关测试几个方面进行研究。  本文介绍了超磁致伸缩现象及磁致伸缩材料的基本特性,阐述了尺蠖直线电机的国内外发展现状,总结了超磁致伸缩直线电机的类型、应用领域及发展现状。  在超磁致伸缩材料特性的基础上,完成了超磁致伸缩直线电机的核心部件---超磁致伸缩致动器的设计,主要包括超磁致伸缩棒的选型、线圈的设计、磁路的设计、预压力的设计等。提出了超磁致伸缩直线电机的结构,并基于超磁致伸缩材料特性,建立了电机输出位移的数学模型。  介绍了柔性铰链的类型,分析了圆形柔性铰链的转角刚度。根据三角放大原理及柔性铰链,设计了微位移放大机构,绘制了结构剖面图及三维立体图,采用有限元分析方法对机构进行静力学和动力学的分析。  根据超磁致伸缩直线电机的结构,分析了电机控制系统的控制时序,制定了系统的控制方案,并在此方案的基础上,对系统进行总体设计、程序设计及编写。在LabVIEW和Protues环境下对控制系统进行了仿真。  在软件设计的基础上,设计了系统的硬件电路,主要包括电源电路、振荡电路、复位电路、串口通讯电路、下载电路并绘制了电路图;对上述电路进行电路板的绘制。测试了开关管驱动电路、模数转换电路,并检验了程序逻辑的正确性。  最后,本文总结了工作内容,并对后续研究工作做进行了展望。
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