功能材料電機(jī)

1、華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系新型功能材料電機(jī)新型功能材料電機(jī)華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系輸出輸入電磁熱力光化學(xué)電電磁效應(yīng)電阻熱效應(yīng)電致伸縮電光效應(yīng)場致發(fā)光效應(yīng)電化學(xué)效應(yīng)磁霍爾效應(yīng)磁電阻效應(yīng)渦流效應(yīng)磁滯損耗磁冷凍效應(yīng)磁致伸縮磁光效應(yīng)熱熱電效應(yīng)熱磁效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)熱輻射熱化學(xué)反應(yīng)力壓電效應(yīng)壓磁效應(yīng)摩擦生熱聲光效應(yīng)機(jī)械化學(xué)效應(yīng)光光壓效應(yīng)光導(dǎo)電效應(yīng)光磁效應(yīng)光致發(fā)熱光致伸縮光合成、光分解光化反應(yīng)、光致抗蝕化學(xué)電化學(xué)電勢燃燒化合反應(yīng)機(jī)械化學(xué)效應(yīng)化學(xué)發(fā)光5.1 概念與分類華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系超聲波電機(jī)超聲波電機(jī)形狀記憶合金電機(jī)形狀記憶合金電機(jī)磁致伸縮電機(jī)磁致伸縮電機(jī)電致伸縮電機(jī)電致伸縮電機(jī)人工肌肉人

2、工肌肉華中科技大學(xué)電機(jī)系統(tǒng)與控制系功能材料電機(jī)的典型代表華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系5.2 超聲波電機(jī)早在1880年，法國的居里（Curie）兄弟在研究石英晶體的物理性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 一、壓電陶瓷的特性及其應(yīng)用一、壓電陶瓷的特性及其應(yīng)用華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系1、壓電陶瓷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng) 極化軸 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2、壓電材料參數(shù)與要求 介電常數(shù) 機(jī)電耦合系數(shù) K 機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm 頻率常數(shù) N主要參數(shù)主要參數(shù)選材要求選材要求 材料的工作溫度應(yīng)保持遠(yuǎn) 低于居里點(diǎn) 不應(yīng)置于強(qiáng)交變電場或與 極化方向相反的直流電場 施加在材料上的機(jī)械應(yīng)力不 應(yīng)超過規(guī)定的極限。

3、壓電常數(shù) 介電損耗和電學(xué)品質(zhì)因數(shù)華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系3、電振子的諧振特性和振動(dòng)模態(tài) 振動(dòng)模態(tài)：振動(dòng)模態(tài)：垂直于電場方向的伸縮振動(dòng)模態(tài)（橫向振動(dòng)模態(tài)）；平行于電場方向的伸縮振動(dòng)模態(tài)（縱向振動(dòng)模態(tài)）；垂直于電場平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)；平行于電場平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)。（a）（d）（c）（b）壓電陶瓷有5個(gè)非零的壓電常數(shù)：d31=d32，d33，d15=d24極化方向312華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系二、環(huán)形行波型超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)理xuuyu旋轉(zhuǎn)體力F，位移u振動(dòng)體 u(ux、uy)可以由單 一振子產(chǎn)生，也可 以由兩個(gè)獨(dú)立的振 動(dòng)介質(zhì)產(chǎn)生，并可 以同時(shí)考慮ux、uy 之間的相位差。 振動(dòng)體振動(dòng)的

4、能量傳遞給旋轉(zhuǎn)體使之運(yùn)動(dòng)，摩擦參與了這 種能量的傳遞和接受。目前發(fā)展較為成熟的電機(jī)一般都采 用電激振方式。 1 1、驅(qū)動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)原理華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系)sin(0tuuyy)sin(0tuuxx20222022(a)(b)(c)yuxuxuyu華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2 2、橢圓運(yùn)動(dòng)的生成方法橢圓運(yùn)動(dòng)的生成方法)sin(0kxtuuz)cos()()(0kxtukzxuzuzx)sin()(0kxtukztuuxxzxzuxuxuzuzx)(2232kxt 3kxt zuxu2320 x(a)(b)(c)華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系bbaax)sin()sin(1kxtAkxt

5、AW)(sin)(sin2axktBaxktBW合成行波的條件：合成行波的條件：BA 2)(mn)(4)(nmmna兩個(gè)駐波：兩個(gè)駐波： 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系baa(3)+-b(1)+-b(2)-+b-+b-+b+-)1 ( )3( )2( 壓電陶瓷長2b4 a43a組間距 1sin()sin()2 sin()cos()WAtkxAtkxAtkx 2sin()sin()2 sin()cos()22WBtk xaBtk xaBtkx 行波的激振方法：行波的激振方法：華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系3 3、電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)結(jié)構(gòu)華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系4 4、極化方式、極化方式+A相B相GND

6、S華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系三、超聲波電機(jī)技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用概況1 1、技術(shù)優(yōu)勢：技術(shù)優(yōu)勢：超聲波電機(jī)不需減速齒輪即能在低速時(shí)獲得大轉(zhuǎn)矩，可直接用于驅(qū)動(dòng)元件。超聲波電機(jī)的能量密度是電磁型電機(jī)的510倍左右，相同功率下，其體積要比電磁型電機(jī)小得多。沒有線圈和磁鐵，本身不產(chǎn)生電磁波，外部磁場對(duì)其影響也很小。斷電后有很大的自鎖力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。控制精度高、無噪聲、無污染。華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2 2、應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：在航空航天中的應(yīng)用用于手表驅(qū)動(dòng)華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系用于真空環(huán)境中用于精確定位裝置多自由度驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場合華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系5.3 形狀記憶合金電機(jī)一、形狀記憶合金

7、一、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy)加熱加載加載彈性區(qū)域ABOOOO應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變永久變形卸載卸載(a) 普通金屬材料(b) 形狀記憶合金應(yīng)力1、概念：某些金屬材料，產(chǎn)生塑性變形后，加熱到某一溫度之上，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這一現(xiàn)象稱為SME，具有SME的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種合金被稱為SMA。 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2、形狀記憶效應(yīng)的宏微觀解釋（單程與雙程）華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2、形狀記憶效應(yīng)的非線性冷卻AsMfMsAf加熱冷卻加熱主遲滯次遲滯溫度 T應(yīng) 變 溫度 T應(yīng)變 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系二、形狀記憶合金電機(jī)1、概念與技術(shù)優(yōu)勢

8、 SMAA無論是原理、結(jié)構(gòu)，還是運(yùn)行控制方式都是一種全新意義上的新型電機(jī)。它有可能集傳感、控制、換能、致動(dòng)于一身，利用SMA材料獨(dú)特的SME，輔以一定的偏動(dòng)裝置(彈簧或彈性體)，通過特定的控制手段，構(gòu)成雙程可逆致動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。與其他電機(jī)相比，SMAA具有以下技術(shù)優(yōu)勢： 高功率重量比，適于微型化 集傳感、控制、換能、致動(dòng)于一身 結(jié)構(gòu)簡單，易于控制 動(dòng)作連續(xù)柔和，可制成擬人機(jī)械手 對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受溫度以外的其他因素影響 無振動(dòng)噪聲，無污染華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2、基本結(jié)構(gòu)類型 負(fù)載偏動(dòng)式偏置式華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系3、應(yīng)用分類 強(qiáng)制回復(fù)動(dòng)力裝置華中科技大學(xué)電機(jī)與控制

9、工程系肩部高 160mm重 0.06kg偏壓彈簧指部NiTi合金螺旋彈簧肘關(guān)節(jié)部調(diào)緊輪NiTi合金絲精密控制華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系火星探測器醫(yī)用內(nèi)窺鏡纖維式電機(jī)六足機(jī)器人華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系三、內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)1、結(jié)構(gòu)構(gòu)想 設(shè)計(jì)構(gòu)想：在硅膠棒內(nèi)嵌入SMA線材,使棒體在通電時(shí)產(chǎn)生的彈性變形在斷電后自行恢復(fù)，并由此構(gòu)成簡潔的可逆致動(dòng)元件ESMAA。思 考：有無可能提出一種新型的結(jié)構(gòu)形式，從根本上克服SMAA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瓶頸？啟 發(fā)：國外研究中，將SMA絲植入結(jié)構(gòu)梁內(nèi)，控制梁的變形。可望實(shí)現(xiàn)：偏動(dòng)與致動(dòng)元件集成、驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行單元同一，結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作柔順。偏動(dòng)元件與致動(dòng)元件分離存在缺點(diǎn)

10、結(jié)構(gòu)復(fù)雜柔順性和伺服性差驅(qū)動(dòng)單元與執(zhí)行單元獨(dú)立華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系原 理：右圖是骨骼-肌肉式機(jī)器人。骨骼由空心輕質(zhì)鋁管構(gòu)成，偏置式SMAA承擔(dān)肌肉功能，驅(qū)動(dòng)鋁管運(yùn)動(dòng)?？梢?，驅(qū)動(dòng)用SMAA和完成承載、抓拿等任務(wù)的執(zhí)行部分是相互獨(dú)立的。 SMAA驅(qū)動(dòng)機(jī)器人華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系利用內(nèi)嵌SMA絲提高梁的強(qiáng)度原 理：在彈性梁內(nèi)嵌入記憶合金線材，通過合金的形狀回復(fù)有效控制梁的變形，抵消斷裂變形的危害，保證了工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。彈性粱SMA絲SMA形狀回復(fù)后華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系2、形變模型 絲平行于棒軸線偏心嵌入。絲溫度升高后收縮，電機(jī)彎曲。溫度降低到Ms后，在剪切力作用下，絲重新被拉伸

11、，電機(jī)回到直線狀。絲直線回復(fù)，故稱為直線型。華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系kIEM EAeF 3)(SMAaaaaadkeEAAF0a3 FF0adFMIAEAAEaaSMA2)1 (1ddkSMA2)1 (1de0)(dda31FFkSF0dSddda13FkFSF0dd)1 (dda1SFdFeSM3ataddffSF1an2affkF華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系3、參數(shù)優(yōu)化 結(jié)論一：結(jié)論一：曲率隨絲徑增大呈指數(shù)遞增。結(jié)論二：結(jié)論二：曲率隨棒徑增大近似線性遞減。 結(jié)論三：結(jié)論三：曲率隨預(yù)變形量線性遞增。 結(jié)論四：結(jié)論四：偏心距存在最優(yōu)值。 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系可輸出占空比可調(diào)的控制脈

12、沖；脈沖關(guān)斷期間檢測絲的電阻；為防止絲過熱，占空比有界?；疽螅簡纹瑱C(jī) 放大電路 驅(qū)動(dòng)電路 ESMAA電阻檢測4、驅(qū)動(dòng)控制 華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系SMA電阻反饋原理minmaxminSMArrrrmaxkk標(biāo)準(zhǔn)化電阻：馬氏體份數(shù)：電機(jī)彎曲曲率：華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系P+和PI+控制maxmaxmaxP(k)(k)0)1(k(k)() 1(k0(k)0(k)uuuuueeKuuu(k)1(k(k)() 1(k(k)IPeKeeKuuumax 為0.9，KP為0.040.08，KI 為0.0030.006。+KPESMAA-測量曲率設(shè)定曲率華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系兩級(jí)滑?？刂菩Ч?/p>

13、：效果：系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性，動(dòng)態(tài)特性得到改善，控制信號(hào)切換平滑，保證了電機(jī)彎曲的準(zhǔn)確性和柔順性。000satlowsathighreeedeedd控制量：邊界層dhighdlowdreesat切換面dhigh_里面外面邊界層誤差設(shè)定曲率測量曲率dlow+ESMAAd =0華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系單片機(jī)控制系統(tǒng)原 理：由單片機(jī)最小系統(tǒng)加上外圍擴(kuò)展電路構(gòu)成。測量電壓信號(hào)經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)的高速輸入口接收，CPU計(jì)算出絲的電阻，由高速輸出口在規(guī)定時(shí)間輸出觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。華中科技大學(xué)電機(jī)與控制工程系 單指節(jié)最大彎曲曲率為14.8，最大偏轉(zhuǎn)角為34.5度。 手指指尖以55度/秒的速度運(yùn)動(dòng)到最大角度40度，位置誤差小于6mm。 手爪自重50g，能夠抓取質(zhì)量200g、半徑20mm的球體，功率重量比很高。 通過控制每臺(tái)電機(jī)即每一指節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)手爪的快速柔順抓取。華