超磁致伸缩执行器温控系统的设计与实现.pdf

第9卷第1期华北科技学院学报2012年1月

超磁致伸缩执行器温控系统的设计与实现①

隋晓梅②陈文卓

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊101601)

摘要:为了实现超磁致伸缩执行器(GMA)精密的位移控制，需要采取一定温控设施保证超磁致伸缩材料
(GMM)工作在特定温度情况下;针对超磁致伸缩材料对温度的敏感性，在GMM智能构件的基础上提出了一
种改进的强制水冷温度控制策略;利用单片机控制系统实现了对超磁致伸缩执行器的温度控制，实验结果表
明了该控制策略可以保证GMA工作在恒温，验证了策略的有效性;对超磁致伸缩材料微驱动应用具有实际
的工程意义。
关键词:超磁致伸缩;温度控制;单片机
中图分类号:T29文献标识码:A文章编号:1672－7169(2012)01－0070－04

0引言结合测温电路、加热控制电路和风扇电路来实现
超磁致伸缩执行器的温度控制策略。通过实验，
超磁致伸缩执行器(GiangMagnetostrictive
结果表明该策略可以有效地保持GMM工作温度
Actuator，GMA)在需要精密定位、位移伺服的控
的恒定
制领域中有着广泛的应用，主要利用超磁致伸缩。
材料(Giantmagnetostrictivematerial，GMM)在外1超磁致伸缩执行器温控系统的设计
界磁场作用下会发生应变伸长这一特性。GMM针对传统超磁致伸缩执行器温控方法的不
作为一种新型的能量转换功能材料，具有应变大、足，且考虑到实际过程中GMM智能构件［6，7］系统
强力、机电耦合系数高、响应速度快等优异特性，需要长时间连续工作，为了达到良好的控制效果
但其热膨胀系数［1］达12×10－6/℃，由于这一系就必须快速降低超磁致伸缩材料在使用过程中产
数与磁致伸缩系数在同一个数量级［2］，因此使用生的温升，同时保证GMM工作温度的恒定。综
过程中产生的热将直接影响GMA定位和位移控合以上主要因素提出了一种改进的温控策略，它
制精度，所以有效抑制热误差是应用超磁致伸缩根据GMM智能构件驱动线圈工作过程中最大生
执行器实现精密加工或精确定位、位移伺服控制热量，设定水泵的最低流量将GMA驱动线圈产
的关键技术之一。目前，抑制GMA热变形的方生的热量带走。相比于传统强制水冷温控策
法主要有被动补偿和主动温控两大类。被动补偿略［5］，这种改进的温度控制策略不需要根据
执行机构往往比较复杂，无法从根本上消除GMAGMA实时的温度变化来控制水泵，做出相应变
产生的热误差。主动温控方法包括:半导体制冷化流量。不但简化了温度控制算法，而且减小
法［3］、相变温控法［4］、强制水冷温控法［5］。其中了由于流量变化所造成的降温滞后，提高了整
半导体制冷法需要专门定制半导体制冷片，且结体控制系统的工作效率，使GMM能稳定在一个
构较复杂;相变温控法则需要通过复杂的相变材更小的温度波动范围内。经过对GMM智能构
料选型来进行配比过程;至于传统的强制水冷温件工作环境的反复测试，得到冷却水流速最低
控法［5］，则需要根据GMA温度的变化，调节水泵为0.0464m/s。
流量的方法来实现对GMA温度的控制，整个控GMA温控系统的整体结构如图1。整个控
制过程复杂。因此本文基于GMM智能构件［6，7］制系统首先需要设定恒温水的预设温度值，GMA
提出了一种改进的强制水冷温度控制策略，根据开始工作后，水箱中的温度传感器将监测得到的
GMM智能构件驱动线圈所能产生的最大生热量，水温通过测温电路连接至单片机温控系统，单片
给出水泵的最低流量，从而保证带走GMM智能机将此温度值与初始的设置值进行比较，如果水
构件驱动线圈产生的热量，主要利用单片机系统温低于设定值则通过单片机温控系统启动加热控

①收稿日期:2012－01－12
②作者简介:隋晓梅(1978－)，女，辽宁辽阳人，硕士，华北科技学院电子信息工程学院讲师。
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第1期隋晓梅等:超磁致伸缩执行器温控系统的设计与实现

制电路，从而使加热器开始工作，温度将不断升过驱动线圈后通过阀回流到水箱，由于吸收了驱
高。经过一段时间后当水箱中的温度达到并能够动线圈的热量所以水温会有所升高，一旦温度值
稳定在设定值时，则通过单片机温度控制系统启高于设定值，则单片机温控系统启动风扇控制电
动水泵进行工作。水泵将水送至GMA，恒温水流路，从而使冷却风扇开始进行冷却。

图1强制水冷的GMA温控系统结构图

2超磁致伸缩执行器温控系统的实现后，对水温与预设温度进行比较，然后通过
分别控制可控硅及继电器，从而决定循
超磁致伸缩执行器温控系统的主要任务是针AT89C55
环水加热器的功率输出以及冷却控制电路中风扇
对温度控制目标，控制系统执行相对应的动作，从
的工作状态。GMA执行器内的线圈温度由Pt100
而控制GM