Terfenol-D悬臂梁驱动惯性冲击电机模型及运动性能

赵 冉，卢全国

(南昌工程学院，南昌 330099)

Terfenol-D悬臂梁驱动惯性冲击电机模型及运动性能

赵 冉，卢全国

(南昌工程学院，南昌 330099)

提出了一种新式的无缆驱动磁致伸缩惯性冲击电机，该电机以Terfenol-D悬臂梁作为驱动元件，能实现较低驱动磁场下的步进动作。此外，对电机的结构和工作原理进行了分析，并根据电机结构建立了动力学模型，最后通过实验验证了所提出的模型。实验结果表明，电机的工作频率为5～45 Hz，最小步长为0.38 μm，电机运动精度较高，且实现了无缆驱动。

磁致伸缩材料；悬臂梁；惯性冲击电机；无缆驱动

0 引 言

近年来，精密定位与精密驱动技术在光学、生物医药、机器人等领域得到了越来越多的应用。其中，惯性冲击电机作为一种精密的位移输出装置得到了广泛研究。采用包括压电、磁致伸缩材料以及形状记忆合金等各种智能材料作为驱动元件，利用惯性冲击原理实现直线运动的各种新型惯性冲击电机不断见诸报道[1-4]。压电式惯性冲击电机由于结构简单、工作频率高等优点已经实现工业化应用，而磁致伸缩惯性冲击电机由于驱动力大，功率密度高也有着良好的发展前景。

然而，无论压电式还是磁致伸缩式惯性冲击电机，其传统结构中电机都需要与电源驱动线相连[5-7]，这对惯性冲击电机的运动精度及工作条件都会造成不利影响。因此，如果能研制出一种无缆驱动的惯性冲击电机，将使电机的工作性能及应用条件得到很大改善。

为此，我们提出了一种新型结构的磁致伸缩惯性冲击电机[8]，电机采用Terfenol-D悬臂梁作为驱动元件，依靠惯性冲击原理实现步进运动。然后，对惯性冲击电机的结构与工作原理进行了分析，根据其结构建立了电机的动力学模型。最后根据实验对惯性冲击电机的性能进行了测试，并验证了动力学模型的正确性。实验结果表明，电机的工作频率为5～45 Hz，最小步长为0.38 μm，电机实现了无缆驱动，具有较高的运动精度。

1 结构与工作原理

1.1电机结构

悬臂梁驱动惯性冲击电机如下结构如图1所示，如图1(a)为电机的主体结构，包括主体滑块、Terfenol-D悬臂梁、配重块。其中Terfenol-D悬臂梁以热处理后的铍铜作为基底，采用尺寸为1.2mm×0.4 mm×1 mm的Terfenol-D薄片(每个悬臂梁各7片)并以结构胶粘结。配重块和滑块均采用铜材料图1(b)所示为电机的整体转配图，包括两驱动线圈、滑动导轨。其中，滑轨采用铜材料，驱动线圈外壳采用导磁材料。当给驱动线圈通以锯齿波驱动电流，在磁场作用下，主体滑块借由惯性冲击作用实现直线步进运动。根据此结构，电机的线圈与磁致伸缩材料相互独立，电机本身不受电源连接线的干扰，实现了无缆驱动。

(a)电机主体(b)整体装配

图1Terfenol-D悬臂梁驱动惯性冲击电机结构

1.2工作原理

惯性冲击电机的工作原理如图2所示，根据电机结构和其驱动方式，惯性冲击电机的运动状态可分为3个阶段，如下：

(1)静止相，此时驱动线圈内未通以激励电流，惯性冲击电机静止不动。

(2)伸展相，驱动线圈内通以缓慢上升的激励电流，Terfenol-D悬臂梁在磁场作用下向右弯曲。

(3)收缩相，驱动线圈内激励电流快速下降，磁场消失，Terfenol-D悬臂梁快速恢复，在惯性冲击作用下电机主体滑块向右移动。

改变驱动信号变化顺序，令电流先快速上升再缓慢下降，则可实现反向运动。

图2 电机工作原理

2 电机模型

电机所采用的驱动核心元件Terfenol-D复合悬臂梁是较为复杂的耦合系统，采用方通方法对悬臂梁进行建模会使惯性冲击电机模型变得十分复杂，并使其运动方程的求解变得更加困难。因此，我们采用一种更为简单的方法，即利用弹簧-质量-阻尼模型[9-10]对Terfenol-D悬臂梁进行建模。Terfenol-D悬臂梁驱动惯性冲击电机动力学模型如图3所示，其中M为主体滑块与悬臂梁质量之和，m1和m2分别为两配重块质量，K1，K2为悬臂梁的刚度系数，C1，C2为悬臂梁的阻尼，F1，F2为磁致伸缩材料所产生的驱动力，f为电机所受到的摩擦力，x1，x2和X分别为配重块和主体滑块所产生的位移。为了方便分析，可认为两悬臂梁的及配重块的参数完全相同，即认为m1=m2=m，K1=K2=K，C1=C2=C。在此条件下，在电机运动过程中配重块m1和m2所产生的位移相等，即x1=x2。

图3 惯性冲击电机的动力学模型

根据所建立的动力学模型，可以得到惯性冲击电机的运动方程：

(1)

F=Klλ

(2)

式中：λ为磁致伸缩系数，l为Terfenol-D材料沿磁场方向的长度。

假定在运动过程中，惯性冲击电机所受摩擦力恒定不变，则摩擦力f可表示：

f=μs(M+2m)g

(3)

式中：μs为摩擦系数；g为重力加速度。

3 仿真与实验结果

为验证所设计磁致伸缩惯性冲击电机的运动性能，搭建实验平台对电机进行测试。实验系统采用信号发生器产生锯齿波信号，并利用功放将锯齿波信号进行放大以驱动惯性冲击电机，同时使用激光位移传感器测量电机的步长及运动速度。通过实验，将电机实际运动曲线与上文中模型理论计算结果进行对比，模型中所采用的参数如表1所示。

表1 惯性冲击电机相关参数

图4为在0.8A，22Hz驱动电流下，电机步进运动的实验数据与仿真计算对比。图中较为平滑的曲线为仿真计算结果，带有毛刺的曲线为电机实际步进运动曲线。实际运动曲线存在毛刺说明电机在运动过程中发生振动，这是由于导轨与滑块表面粗糙度不一致且电机在运动过程所受摩擦力发生变化所造成的。由图可知电机的步长为0.38μm，仿真计算结果与实验结果相符。

图4 实验数据与仿真计算对比

图5中分别给出了激励电流为0.8 A 时，电机在10 Hz，15 Hz，20 Hz和30 Hz工作频率下的运动轨迹。电机在这些频率下的实际运动速度分别为3.5 μm/s，5.625 μm/s，7.5 μm/s和11.375 μm/s；而理论计算值分别为3.8 μm/s，5.7 μm/s，7.9 μm/s和11.4 μm/s，理论计算值与实验数据较为接近。由实验数据可知，Terfenol-D悬臂梁驱动惯性冲击电机的工作频率为10～30 Hz，范围较窄，这是由于悬臂梁等效刚度系数小，且Gafenol材料所产生的驱动力较小所造成的。

图5 电机在不同工作频率下的运动轨迹

4 结 语

(1) 论文中提出的新型磁致伸缩惯性冲击电机，利用Terfenol-D悬臂梁最为驱动元件，能够在较低的激励电流下实现步进动作，并实现无缆驱动。

(2) 对所提出的惯性冲击电机的结构和工作原理进行了分析，其工作原理与传统惯性冲击电机相似，易于控制。并根据电机结构进行了建模，得到了电机的运动方程，利用此方程可对电机的步长和运动速度进行仿真计算。

(3) 实验结果表明，电机具有较好的运动精度，其工作平率范围为10～30 Hz，最小步长为0.38 μm。

(4) 本文所提出的电机能够在较低磁场下工作，且实现了无缆驱动，可望在更多的场合得到应用。

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TheModelandMotionBehaviorofTerfenol-DCantileverBeamDrivingInertiaImpactMotor

ZHAORan，LUQuan-guo

(Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)

A novel magnetostrictive impact inertia impact motor without driving cable was presented.The proposed motor was driven by two Terfenol-D cantilever beams, and can performance step motion under low excitation magnetic field. In addition, the structure and working principle of the motor was analyzed, and the dynamic model was established according to the motor structure. Finally, the model was verified by experiments. And the experimental results show that the operating frequency of the motor is 5～45 Hz, the minimum step size is 0.38 μm, the motor has higher precision and can be driven without cable.

magnetostrictive materials; cantilever beam; inertia impact motor; cableless driven

2016-04-27

国家自然科学基金项目(51165035)；江西省高校科技落地计划(KJLD14094)；南昌工程学院青年基金项目(2014KJ011)

TM35

：A

：1004-7018(2016)11-0001-02

赵冉(1982-)，博士研究生，讲师，主要研究方向为磁致伸缩材料与器件。