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基于Prandtl−Ishlinskii模型的麦克斯韦磁阻驱动器率相关磁滞特性建模与分析

张旭 赖磊捷

张旭, 赖磊捷. 基于Prandtl−Ishlinskii模型的麦克斯韦磁阻驱动器率相关磁滞特性建模与分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(1): 27-33. doi: 10.12299/jsues.21-0307
引用本文: 张旭, 赖磊捷. 基于Prandtl−Ishlinskii模型的麦克斯韦磁阻驱动器率相关磁滞特性建模与分析[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(1): 27-33. doi: 10.12299/jsues.21-0307
ZHANG Xu, LAI Leijie. Modeling and analysis of rate-dependent hysteresis characteristics of Maxwell reluctance actuator based on Prandtl−Ishlinskii model[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(1): 27-33. doi: 10.12299/jsues.21-0307
Citation: ZHANG Xu, LAI Leijie. Modeling and analysis of rate-dependent hysteresis characteristics of Maxwell reluctance actuator based on Prandtl−Ishlinskii model[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(1): 27-33. doi: 10.12299/jsues.21-0307

基于Prandtl−Ishlinskii模型的麦克斯韦磁阻驱动器率相关磁滞特性建模与分析

doi: 10.12299/jsues.21-0307
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51605275);上海市自然科学基金项目资助(21ZR1426000)
详细信息
    作者简介:

    张旭:张 旭(1996−),男,在读硕士,研究方向为微纳米定位技术. E-mail:18839129173@163.com

    通讯作者:

    赖磊捷(1984−),男,副教授,博士,研究方向为微位移驱动控制、微纳制造装备等. E-mail:lailj@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TP29

Modeling and analysis of rate-dependent hysteresis characteristics of Maxwell reluctance actuator based on Prandtl−Ishlinskii model

  • 摘要: 为克服麦克斯韦磁阻驱动器材料内部磁场强度与磁感应强度之间强烈的磁滞非线性以及大气隙下漏磁增加等因素引发的驱动器控制电压与输出位移之间的磁滞特性,提出一种率相关改进型Prandtl−Ishlinskii(P−I)模型对磁阻驱动器的磁滞特性进行建模. 分析磁阻驱动器结构及其磁路和磁力模型,同时搭建基于柔性机构的磁阻驱动微定位平台试验系统,验证磁滞模型. 为克服驱动器磁滞非线性,优化改进传统P−I模型,使其具有描述非对称率相关磁滞特性的能力,并利用粒子群算法完成参数辨识. 通过对比试验验证所建模型对于磁阻驱动器磁滞非线性的描述能力. 结果表明,不同频率输入信号下率相关P−I模型输出与实际输出之间的均方根误差均小于0.0049 mm,仅为整体行程的0.245%, 证明了该模型的有效性和高精度.
  • 图  1  麦克斯韦磁阻驱动器结构

    Figure  1.  Structure of Maxwell reluctance actuator

    图  2  驱动器等效磁路

    Figure  2.  Equivalent magnetic circuit of actuator

    图  3  双平行四杆机构

    Figure  3.  Double parallel four-bar flexure mechanism

    图  4  麦克斯韦磁阻驱动器的磁滞特性测量系统

    Figure  4.  Hysteresis characteristic measurement system of Maxwell reluctance actuator

    图  5  不同频率输入信号下得到的率无关模型磁滞曲线

    Figure  5.  Hysteresis curve of rate-independent model with different frequency input signals

    图  6  驱动器磁滞非线性的率相关特性

    Figure  6.  Rate-dependent characteristics of hysteresis nonlinearity of actuator

    图  7  不同频率输入信号下得到的率相关模型磁滞曲线

    Figure  7.  Hysteresis curve of rate-dependent model with different frequency input signals

    图  8  模拟数据与试验数据对比

    Figure  8.  Comparison of simulated and experimental data

    图  9  不同频率输入信号下率相关P−I模型预测结果与试验结果的对比

    Figure  9.  Comparison between prediction results and experimental results of rate-dependent P−I model with different frequency input signals

    表  1  磁阻驱动器结构尺寸

    Table  1.   Dimensions of reluctance actuator

    尺寸/mm磁轭永磁体动子
    1001518
    461515
    151515
    垂直磁通方向横截面/mm215×1515×1515×15
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    表  2  率相关P−I模型参数

    Table  2.   Parameters of rate-dependent P−I model

    序号iripiaiδ/ζ
    100.07620.07620.0915
    21.50.11980.18070.2398
    330.1490
    44.50.1746
    560.0470
    67.50.1345
    790.1054
    810.50.1114
    9120.0425
    1013.50.0088
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    表  3  不同频率下模型输出与实际输出间的均方根误差

    Table  3.   Root mean square error (RMSE) between model output and actual output at different frequencies

    信号频率/Hz率相关模型/mm率无关模型/mm
    10.00490.0048
    50.00300.0236
    100.00410.0509
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  • [1] 谢晓丹, 王博超, 吴丹. 电磁驱动快速刀具伺服机构的电磁场和驱动力[J] . 清华大学学报(自然科学版),2008,48(8):1298 − 1301.
    [2] KATALENIC A , BOEIJ J D, BUTLER H, et al. Linearization of a current-actuator reluctance actuator with hysteresis compensation[J] . Mechatronics,2013,23(2):163 − 171.
    [3] ZHU Z, CHEN L, TO S. A novel direct drive electromagnetic XY nanopositioning stage[J] . CIRP Annals,2005,70(1):415 − 388.
    [4] 邹亮, 李庆民, 许家响, 等. 考虑漏磁效应的永磁饱和型故障限流器磁路建模与实验研究[J] . 中国电机工程学报,2012,32(21):137 − 145.
    [5] 向洪岗, 陈德桂, 李兴文, 等. 基于三维磁场分析建立电磁铁等效磁路的研究[J] . 西安交通大学学报,2003,37(8):4.
    [6] 毛剑琴, 丁海山. 率相关迟滞非线性系统的智能化建模与控制[J] . 中国科学:信息科学,2009,39(3):289 − 304.
    [7] 贺一丹, 王贞艳, 何延昭, 等. 压电陶瓷作动器的改进Duhem迟滞建模[J] . 压电与声光,2021,43(3):431 − 434. doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.03.029
    [8] RAKOTONDRABE M. Bouc-Wen modeling and inverse multiplicative structure to compensate hysteresis nonlinearity in piezoelectric actuators[J] . IEEE Transactions on Automation Science & Engineering,2011,8(2):428 − 431.
    [9] KATALENIC A. Control of reluctance actuators for high-precision positioning[D]. Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2013.
    [10] CRUZ-HERNANDEZ J M, HAYWARD V. Phase control approach to hysteresis reduction[J] . IEEE Transactions on Control Systems Technology,2001,9(1):17 − 26. doi: 10.1109/87.896742
    [11] ANG W, KHOSLA P, RIVIERE C. Feedforward controller With inverse rate-dependent model for piezoelectric actuators in trajectory-tracking applications[J] . IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2007,12(2):134 − 142. doi: 10.1109/TMECH.2007.892824
    [12] TAN U, LATT W, WIDJAJA F, et al. Tracking control of hysteretic piezoelectric actuator using adaptive rate-dependent controlle[J] . Sensors and Actuators A: Physical,2009,150:116 − 123. doi: 10.1016/j.sna.2008.12.012
    [13] LU X D, TRUMPER D L. Ultrafast tool servos for diamond turning[J] . CIRP Annals - Manufacturing Technology,2005,54(1):383 − 388. doi: 10.1016/S0007-8506(07)60128-0
    [14] CSENCSICS E , SCHLARP J , SCHITTER G . Bandwidth extension of hybrid-reluctance-force-based tip/tilt system by reduction of eddy currents[C]//Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). Munich: IEEE, 2017.
    [15] YANG M J, GU G Y, ZHU L M. Parameter identification of the generalized Prandtl–Ishlinskii model for piezoelectric actuators using modified particle swarm optimization[J] . Sensors and Actuators A: Physical,2013,189:254 − 265. doi: 10.1016/j.sna.2012.10.029
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-26
  • 网络出版日期:  2023-07-05
  • 刊出日期:  2023-03-31

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