基于逆磁致效应自传感机理的超磁致伸缩微驱动方法与理论

提出一种基于逆磁致效应（Villari效应）自传感机理的超磁致伸缩微驱动方法。超磁致伸缩微位移驱动方法在恒力作用下具有良好的微驱动特性，变力作用下则存在严重非线性。基于逆磁致效应对变力产生的磁场变化量感知和分离，利用超磁致伸缩自身的工作机理感知变力扰动量称为自传感。依靠分离出的变化磁场量对超磁致伸缩驱动磁场闭环调控，补偿变力扰动量是本课题的核心机理。超磁致伸缩效应的微位移驱动方法本身具有位移灵敏度高（<4nm）、输出力大(>1000N)和输出频响高等特性。依据感知变力扰动量采取变阻尼复合非线性控制策略，基于逆磁致效应自传感机理的超磁致伸缩微驱动方法可以在保证位移灵敏度的基础上，产生了高速、高加减速度超精密定位驱动的新特性，定位时间<5ms、最大加、减速度达2g以及最大速度达到500mm/s。

本项目主要围绕快速纳米或亚纳米级微位移定位驱动中，影响其定位精度的扰动力问题，提出一种基于超磁致伸缩逆磁致效应自感知的微位移驱动方法和装置。研究内容主要集中在三个方面：.1.基于逆磁致效应的自传感工作机理和理论. 主要包括超磁致伸缩微机-磁耦合模型和磁-机耦合模型。在驱动磁场的变化下超磁致伸缩材料产生的场致形变机理；通过线性场致形变及体积场致形变的综合作用、分析和确定驱动磁场变化与超磁致伸缩材料构成的磁致伸缩体线性形变之间的关系，进而分析与确定微驱动器控制端与输出端的宏观输入-输出特性。通过测量激磁线圈感生电压的方式实现驱动器的自感知，实现自感知的实质是正逆效应耦合信号的分离，即感生电压信号的提取。本项目利用一种新型的电感电桥结构，通过J-A模型和非线性的磁-机耦合模型对外界扰动力和驱动线圈等效电感变化量的关系设计一种扰动力感知系统，扰动力变化率检测精度优于6%。.2. 基于逆磁致效应的自传感机理的超磁致伸缩微高速、高加减速微位移驱动方法. 重点分析并建立驱动磁场和变力扰动应变磁场的解耦模型。分析并确定变力扰动下超磁致伸缩材料磁化强度受磁滞现象的影响量。通过Jiles-Atherton模型和磁畴理论确定了基于Preisach模型超磁致伸缩微磁滞非线性补偿模型并构建动力学方程，采用扰动力前馈控制策略，改善高动态频响下的纳米微位移灵敏度，扰动力检测响应时间小于10ms。利用自传感对变力扰动的感知机理，构成内闭环来调控驱动磁场，消除变力扰动；使超磁致伸微位移驱动在高速、高加减速驱动下输出力最高达700N，定位精度优于4nm。.3. 基于扰动力自感知的超磁致伸缩微位移执行器原理样机. 主要包括基于上述机理和方法的新型微执行器系统结构设计、恒流源驱动和电桥电路设计。使新型微驱动单元器件和控制系统样机具有纳米位移灵敏度、大输出力、无漂移特性、大输出范围和高频响特性兼备的显著特点。