文档介绍：中国科学技术大学
硕士学位论文
形状记忆合金驱动器控制方法的研究
姓名:周志扬
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:李永新
2011-05-03
摘要
在智能变形飞行器的研究和应用中,体积小、重量轻而驱动效率高、控制精
度好的驱动器扮演关键的角色。传统的驱动器功率重量比低,且需要配合变速装
置使用,致使传动系统复杂,难以直接移植到飞行器。因为形状记忆合金具有功
重比大、集传动和传感于一身、变形大等优点,使得它在智能材料应用领域具有
独特的应用前景。但是,它在控制上也存在驱动频率和控制精度低的不足。设计
一个能应用于飞行器截面变形机构的 SMA 驱动器,并在此基础上对其运动规律
和控制方法的研究,建立 SMA 驱动控制系统,能够帮助我们更深刻地了解其特
性,更全面地推广其应用。
本论文首先介绍了智能材料作为驱动元件的特点和一些实际应用,着重介绍
了形状记忆合金的材料特性和机械特性,并选择 Ti-Ni 合金丝作为驱动元件。对
SMA 扭转驱动器的工作原理进行了阐述,并根据智能飞行器截面变形结构对驱
动器的要求,设计了体积较小,重量较轻,具有较大输出角度和输出扭矩的基于
柔顺机构 SMA 丝扭转驱动器。
其次,对 SMA 丝扭转驱动器的加热方法和冷却方法进行了分析和计算。频
率是衡量驱动器的重要标准,温度是驱动 SMA 的重要指标。对多种加热和冷却
方法进行比较发现:采用 SMA 丝直接通电加热的方法能够快速加热 SMA 丝,
且电流越大,加热速度越快;采用冷风制冷的方法能够较快地冷却 SMA 丝,风
的速度越大、温度越低,冷却速度越快。
最后对 SMA 丝扭转驱动器的控制系统进行研究。依据 SMA 丝电阻与应变
呈现阶段线性关系,提出以 SMA 电阻测量反馈作为驱动器控制手段。针对普通
驱动电路无法同时提供大电流和快速开关切换的特点,设计了基于 SMA 电阻测
量的大功率驱动控制电路用于 SMA 丝驱动,完成了基于 AV R 单片机的驱动器
控制电路的设计。为实现驱动器快速准确的驱动控制,根据 SMA 的变形特性,
设计了积分分离型 PI 控制器调节 SMA 丝的加热速度。在 SMA 丝扭转驱动器上
I
对控制系统进行了验证和实验分析,实验表明:该系统能够在精确测量 SMA 丝
电阻的同时提供足够大的加热电流,在 PI 控制器的作用下实现闭环控制,并且
在制冷装置的配合下提高了驱动的频率,为 SMA 驱动器快速准确控制提供重要
参考。

关键词:形状记忆合金,扭转驱动器,电加热,风冷,大电流,电阻测量,半导
体制冷器,控制器。

II
Abstract
In the research and application of smart aircraft, a small and light actuator with
high drive efficiency and control precision plays a key role. The traditional actuator
has low power weight ratio, and it needs to work with speed variator. Both of that
result in plicated transmission system which it’s difficult to apply to the aircraft
directly. With the merits such as high power weight ratio, drive and sense in one and
large strain, the shape memory alloy makes itself uniquely in the field of application
of smart materials. However, it has low frequency and accuracy in control. On the
basis of a SMA actuator for cross-section deformation mechanism in aircraft, the
study of control methods of SMA will help us gain a deeper understanding of its
features and