實(shí)驗名稱(chēng)：電機特性實(shí)驗研究

　　研究目的：介紹了對稱(chēng)式雙足壓電直線(xiàn)電機的結構及其驅動(dòng)機理，以此為基礎建立了電機的運動(dòng)模型，詳細討論了多種驅動(dòng)信號下，電機所能實(shí)現的多種工作模式，對模型進(jìn)行了分析。對定子形式進(jìn)行優(yōu)化設計，提出了三種不同的電機形式，分別對電機進(jìn)行理論模型分析，運用有限元進(jìn)行仿真，對電機進(jìn)行整體結構設計并制作樣機，進(jìn)行性能實(shí)驗研究。

　　測試設備：功率放大器、信號發(fā)生器、示波器、壓電作動(dòng)器、激光位移傳感器等

　　圖：實(shí)驗裝置圖

　　實(shí)驗過(guò)程：

　　一、連續作動(dòng)模式實(shí)驗

　　在四組疊層壓電陶瓷上施加一定相位差的對應的正弦波信號，可以使得電機驅動(dòng)足做橢圓運動(dòng)，通過(guò)摩擦力驅動(dòng)電機導軌輸出直線(xiàn)運動(dòng)。對于長(cháng)柔鉸壓電電機，調節輸入電壓以及頻率可以得到下圖所示的電機速度特性曲線(xiàn)。

　　圖：連續作動(dòng)模式不同頻率下長(cháng)柔鉸電機電壓-速度關(guān)系曲線(xiàn)

　　頻率與電壓增高時(shí)，電機運動(dòng)速度近似成線(xiàn)性增長(cháng)。當輸入電壓為100V、頻率為100Hz時(shí)，電機運動(dòng)速度為446.4μm/s。在這種模式下，電機的運動(dòng)較為平穩，噪音較小，其不足在于速度較小。

　　二、交替步進(jìn)作動(dòng)模式實(shí)驗

　　在疊層壓電陶瓷上施加一定規律的方波三角波信號時(shí)，可以實(shí)現電機驅動(dòng)足按矩形軌跡運動(dòng)，從而通過(guò)摩擦力驅動(dòng)導軌直線(xiàn)運動(dòng)。相對于連續作動(dòng)模式，該種模式下電機運動(dòng)速度更快。

　　圖：對稱(chēng)原理樣機步進(jìn)模式結果圖

　　上圖（a）所示為對稱(chēng)原理樣機在不同頻率下的電壓-速度關(guān)系圖，電機交替步進(jìn)模式下工作頻帶為10Hz到120Hz，工作電壓范圍為80-120V,電機運動(dòng)速度隨著(zhù)輸入電壓的增長(cháng)呈線(xiàn)性增長(cháng)。當輸入信號頻率為120Hz，電壓為120V時(shí)，電機速度為670.22μm/s。如上圖（b）所示為其在輸入信號電壓100V下頻率-速度關(guān)系圖，電機速度隨頻率增長(cháng)表現出一定的線(xiàn)性，在某些點(diǎn)出現了一定的誤差。當頻率增大到120Hz以上時(shí)，由于受到第二章提到的疊層壓電陶瓷的遲滯效應影響，無(wú)法較好的控制雙驅動(dòng)足的運動(dòng)時(shí)序，從而導致了電機無(wú)法正常工作。

　　三、單步作動(dòng)模式實(shí)驗（分辨率測試）

　　圖：對稱(chēng)原理樣機單步降頻分辨率測試結果

　　如上圖所示為對稱(chēng)原理樣機的步距測試實(shí)驗結果，在輸入信號電壓為100V，頻率依次為100Hz，50Hz，10Hz和1Hz時(shí)，電機單步步距分別為3.61μm，3.57μm，0.65μm和0.35μm。理論分析中，電機步距不隨頻率變化而變化，而實(shí)驗結果中頻率降低時(shí)，步距卻有了明顯的減小。從100Hz到50Hz時(shí)，其誤差較小，主要來(lái)源于測試誤差以及動(dòng)子測試段表面形態(tài)的微小差異；而從50Hz到10Hz以及1Hz時(shí)，誤差增加，從圖線(xiàn)中可以得知在低頻狀態(tài)下，動(dòng)子的回撤現象較為明顯，這是由于定子的雙驅動(dòng)足與動(dòng)子的接觸狀態(tài)有一定的差異，在運動(dòng)中不能做到完美的接觸與分離所導致的。動(dòng)子的回撤直接影響了單步步距的準確性，在頻率較高的情況下，動(dòng)子的回撤現象在慣性作用下有所減緩，此時(shí)的步距更能代表該電機的性能。對稱(chēng)原理樣機的分辨率為0.35μm。

　　四、負載承載實(shí)驗

　　圖：對稱(chēng)原理樣機負載特性曲線(xiàn)

　　上圖所示為對稱(chēng)原理樣機在100Hz和200Hz時(shí)的負載實(shí)驗結果。電機速度隨負載增大而線(xiàn)性減小，當輸入信號電壓為100V時(shí)，最大負載力約為3N。由于非共振式壓電直線(xiàn)電機依靠摩擦力驅動(dòng)，并且工作在較低的頻率，所以其負載力普遍較小。

　　實(shí)驗結果：

　　實(shí)驗可以得到結論，對稱(chēng)非共振式壓電直線(xiàn)電機可以實(shí)現連續作動(dòng)模式、交替步進(jìn)模式以及單步作動(dòng)模式三種不同的工作模式下的運動(dòng)，可以適用于不同的工作場(chǎng)合，多工作模式的結合可以在同一臺電機中實(shí)現大行程與高分辨率運動(dòng)的統一。

　　功率放大器推薦：ATA-3080

圖：ATA-3080功率放大器指標參數

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