[发明专利]具有恒力输出的超磁致伸缩执行器及控制方法

权利要求书

1.一种具有恒力输出的超磁致伸缩执行器，其特征是，超磁致伸缩执行器为轴对称式结构；圆桶状的柱体(17)安装在底部带有圆形凸台且中心处开有圆形凹槽的圆桶状的外套(13)的圆形内腔底部，下导磁体(15)安装在柱体(17)的圆形内腔底部，圆筒磁轭(5)安装在下导磁体(15)上部，绕有线圈(6)的线圈骨架(8)安装在圆筒磁轭(5)内腔中，使线圈骨架(8)下端面与下导磁体(15)的上表面接触；不锈钢套管(16)安装在线圈骨架(8)的内孔中，下导向块(12)依次穿过下导磁体(15)、不锈钢套管(16)中心处的通孔，并使下导向块(12)的下端面与柱体(17)的内腔底部接触；霍尔传感器(14)通过非导磁性胶(11)固定在下导向块(12)上表面的中心处，不锈钢钢圈(10)、导磁垫片(9)、超磁致伸缩棒(7)分别从下导向块(12)上表面由下至上依次安装在不锈钢套管(16)的内孔中；中心处具有圆形凹槽的上导向块(21)安装在超磁致伸缩棒(7)的上面，中心处带有通孔的上导磁体(20)安装在线圈骨架(8)的上面，上导向块(21)与线圈骨架(8)和上导磁体(20)之间具有一定的间隙；中心处带有通孔的上端盖(3)通过均匀分布的四只上端盖固定螺栓(18)固定在柱体(17)上部，阶梯轴形状的传递轴(1)下端安装在上导向块(21)中心处的凹槽内，穿过传递轴(1)上部的碟形弹簧(23)安装在传递轴(1)的上表面(a)处，上端为六角形且具有外螺纹的预紧套(2)穿过传递轴(1)的上部，传递轴(1)与上端盖(3)、碟形弹簧(23)、预紧套(2)之间具有一定的间隙；预紧套(2)与具有螺纹通孔的顶盖(22)通过螺纹配合将碟形弹簧(23)压缩，顶盖(22)通过均匀分布的四只顶盖固定螺栓(19)与外套(13)固定连接，安装在外套(13)侧面的均匀分布的四只紧定螺钉(4)将上端盖(3)和柱体(17)在径向上锁紧。

2.一种具有恒力输出的超磁致伸缩执行器，其特征是，所采用的控制方法是首先建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块，然后以超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入量，使用超磁致伸缩正效应模型、超磁致伸缩逆效应模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来确定电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下超磁致伸缩执行器中，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，再根据超磁致伸缩执行器的恒力输出目标值F_goal，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型，来得到使超磁致伸缩执行器实现恒力输出时，需要供给线圈的电流，并将该电流作为控制模块的输出；外力F₁分为静态力和简谐动态力两种；

(1)当外力F₁为静态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤如下：

1)建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块

数据采集卡将超磁致伸缩执行器的线圈中的电流I和超磁致伸缩执行器的输出力F采集到计算机数据处理系统中，再以电流I和输出力F作为超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块的输入变量，然后计算机数据处理系统对数据进行处理计算，得到使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流，最后计算机数据处理系统控制高速双极性电源向线圈输出电流，建立超磁致伸缩执行器恒力输出控制模块；

2)确定在电流I产生的磁场和外力F₁共同作用下，超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，具体步骤如下：

①根据线圈中的电流I计算线圈产生的磁场，采用公式(1)表示为：

H＝NI/L                                   (1)

式中：H-线圈产生的磁场，N-线圈匝数，L-线圈高度；

然后利用超磁致伸缩正效应模型计算超磁致伸缩棒内的只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B，采用公式(2)表示为：

M=fM(Mi,Bi,H)B=μ0×(M+H)---(2)]]>

式中：f_M-超磁致伸缩正效应模型中磁化强度的计算模型，M_i-初始磁化强度(i＝1、2、3、4)，B_i-初始磁通密度(i＝1、2、3、4)，对于本次计算取i＝1，M_i＝M₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，B_i＝B₁，表示在没有施加本次电流时超磁致伸缩棒内的磁化强度，μ₀-空气的磁导率；

再采用超磁致伸缩材料弹性模量模型计算超磁致伸缩棒的磁致伸缩力F₀，采用公式(3)表示为：

E=fE(M,H)F0=E×A×(γ1M2)---(3)]]>

式中：f_E-超磁致伸缩材料弹性模量的计算模型，E-弹性模量，A-超磁致伸缩棒的横截面积，γ₁-磁致伸缩二阶系数；

②以只在电流作用下的平均磁化强度M和磁通密度B分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据超磁致伸缩执行器的输出力F和磁致伸缩力F₀，采用超磁致伸缩逆效应模型计算受到外力F₁后，超磁致伸缩棒在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′，采用公式(4)表示为：

M′=fMo(Mi,Bi,H,σ)B′=μ0(M′+H)---(4)]]>

式中：f_Mo-超磁致伸缩逆效应模型中磁化强度的计算模型，σ-超磁致伸缩棒受到的外界应力，σ＝(F-F₀)/A，对于本次计算取i＝2，M_i＝M₂＝M，B_i＝B₂＝B；

然后采用超磁致伸缩材料弹性模量模型，计算超磁致伸缩棒产生的附加输出力F₂，采用公式(5)表示为：

E=fE(M′,H)F2=F0-EA×(γ1M′2)---(5)]]>

③以在电流和外力作用下的平均磁化强度M′和磁通密度B′分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，根据附加输出力F₂，使用超磁致伸缩逆效应模型确定超磁致伸缩棒内的最终平均磁化强度M″和磁通密度B″，采用公式(6)表示为：

M′′=fMo(Mi,Bi,H,σ′)B′′=μ0(M′′+H)---(6)]]>

式中：对于本次计算取i＝3，M_i＝M₃＝M′，B_i＝B₃＝B′，σ′＝F₂/A；

3)确定使超磁致伸缩执行器具有恒力输出时需要供给线圈的电流

计算输出力F与恒力输出目标值F_goal之间的差值ΔF，采用公式(7)表示为：

ΔF＝F-F_goal                               (7)

以最终平均磁化强度M″和磁通密度B″分别作为本次计算的初始磁化强度和磁通密度，采用超磁致伸缩正效应逆模型和超磁致伸缩材料弹性模量模型计算，使超磁致伸缩执行器产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，即为超磁致伸缩执行器具有恒力输出时，需要供给线圈的电流，采用公式(8)表示为：

E=fE(M′′,H)Mout=EAγ1ΔF/(EAγ1)Hout=fM-1(Mi,Bi,Mout)I=HoutL/N---(8)]]>

式中：M_out-产生与ΔF大小相等、方向相反的力时，超磁致伸缩棒内的平均磁化强度，H_out-产生M_out需要的磁场强度，-超磁致伸缩正效应逆模型中磁场强度的计算模型，I-产生H_out时线圈中的电流，对于本次计算取i＝4，M_i＝M₄＝M″，B_i＝B₄＝B″；

4)根据上面计算得到的需要供给线圈的电流I，计算机数据处理系统控制高速双极性电源给线圈提供该电流；

(2)当外力F₁为简谐动态力时，具有恒力输出的超磁致伸缩执行器的控制方法的具体步骤与F₁为静态力时相同，但是，电流的输入要同时给线圈通入直流电流和交流电流；按照上述步骤计算得到的电流为交流电流值，交流电流频率与外力F₁的频率相同，直流电流的大小为交流电流峰峰值的1/2。