大应变SMA驱动器的设计与控制研究

发布时间：2021-04-28 05:51

　　形状记忆合金（SMA）作为驱动材料时具有结构简单、功率密度大、工作可靠等优点,在工程中已经广泛使用。其中应用较多的是NiTi细丝,它在加热时可以产生收缩运动。但NiTi细丝有一个明显的缺点,即它的可恢复应变只有4%左右,这使得它的行程有限。另一种驱动形式是形状记忆材料制成的弹簧,NiTi弹簧应变较大,但是相比相同丝径的驱动型NiTi细丝驱动器,力输出能力下降明显。为了解决NiTi细丝应变小的问题,本课题设计了一种新的驱动器,该驱动器由NiTi丝在特定的夹具上绕制并热处理而成,变形原理为NiTi丝在弯曲和直线之间变形而产生的长度方向尺寸的变化。该驱动器应变较驱动型NiTi丝的可恢复应变有明显的提升,同时力输出能力与其几乎相同。本课题利用材料力学知识对驱动器进行了准静态数学模型的建立,构造了位移与力之间的函数关系,获得了驱动器的刚度曲线,该模型可以为设计过程提供参考依据。SMA的控制具有很大的挑战性,本文以单关节为实验平台对驱动器进行了控制方法研究。实验发现本课题设计的驱动器在进行位置阶跃响应时,使用PI控制具有良好的效果。但是PI控制适应性较差,当位移曲线在初始阶段变化较小时,例如斜坡曲... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 SMA的应用现状与分析
        1.2.1 SMA的应用现状
        1.2.2 SMA应用中的局限性分析
    1.3 SMA的控制方法研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 SMA驱动器的设计与制作
    2.1 引言
    2.2 大应变SMA驱动器的设计
        2.2.1 SMA的基本原理
        2.2.2 大应变SMA驱动器的原理
    2.3 SMA驱动器的制作流程
    2.4 本章小结
第3章 SMA驱动器准静态数学模型
    3.1 引言
    3.2 驱动器的行程
    3.3 驱动器的力-位移关系
    3.4 驱动器数学模型实验验证
    3.5 本章小结
第4章 SMA驱动器控制方法
    4.1 引言
    4.2 控制实验平台的设计
        4.2.1 单关节实验平台的机构设计
        4.2.2 控制系统硬件设计
        4.2.3 控制系统软件设计
    4.3 控制器的设计
        4.3.1 驱动器的PI控制
        4.3.2 电阻反馈模块的设计
    4.4 SMA-SMA构型的设计
    4.5 本章小结
第5章 SMA驱动器的温度控制
    5.1 引言
    5.2 基于电阻反馈的温度控制
        5.2.1 SMA相变与驱动过程
        5.2.2 SMA驱动器的电阻
        5.2.3 温度控制逻辑
    5.3 SMA驱动器温度控制仿真
        5.3.1 热力学平衡方程
        5.3.2 SMA的相变动力学模型
    5.4 仿真结果
    5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】：
博士论文
[1]SMA人工肌肉软体机器人的变形控制与运动机理研究[D]. 刘春山.中国科学技术大学 2018
[2]SMA驱动仿生机器鱼的尾鳍和喷射推进性能及其实验研究[D]. 高飞.哈尔滨工业大学 2015



本文编号：3164929