實驗名稱：電機特性實驗研究

研究目的：介紹了對稱式雙足壓電直線電機的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動機理，以此為基礎(chǔ)建立了電機的運動模型，詳細(xì)討論了多種驅(qū)動信號下，電機所能實現(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計并制作樣機，進(jìn)行性能實驗研究。

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

圖：實驗裝置圖

實驗過程：

一、連續(xù)作動模式實驗

在四組疊層壓電陶瓷上施加一定相位差的對應(yīng)的正弦波信號，可以使得電機驅(qū)動足做橢圓運動，通過摩擦力驅(qū)動電機導(dǎo)軌輸出直線運動。對于長柔鉸壓電電機，調(diào)節(jié)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。

圖：連續(xù)作動模式不同頻率下長柔鉸電機電壓-速度關(guān)系曲線

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

二、交替步進(jìn)作動模式實驗

在疊層壓電陶瓷上施加一定規(guī)律的方波三角波信號時，可以實現(xiàn)電機驅(qū)動足按矩形軌跡運動，從而通過摩擦力驅(qū)動導(dǎo)軌直線運動。相對于連續(xù)作動模式，該種模式下電機運動速度更快。

圖：對稱原理樣機步進(jìn)模式結(jié)果圖

上圖（a）所示為對稱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,電機運動速度隨著輸入電壓的增長呈線性增長。當(dāng)輸入信號頻率為120Hz，電壓為120V時，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表現(xiàn)出一定的線性，在某些點出現(xiàn)了一定的誤差。當(dāng)頻率增大到120Hz以上時，由于受到第二章提到的疊層壓電陶瓷的遲滯效應(yīng)影響，無法較好的控制雙驅(qū)動足的運動時序，從而導(dǎo)致了電機無法正常工作。

三、單步作動模式實驗（分辨率測試）

圖：對稱原理樣機單步降頻分辨率測試結(jié)果

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

四、負(fù)載承載實驗

圖：對稱原理樣機負(fù)載特性曲線

上圖所示為對稱原理樣機在100Hz和200Hz時的負(fù)載實驗結(jié)果。電機速度隨負(fù)載增大而線性減小，當(dāng)輸入信號電壓為100V時，最大負(fù)載力約為3N。由于非共振式壓電直線電機依靠摩擦力驅(qū)動，并且工作在較低的頻率，所以其負(fù)載力普遍較小。

實驗結(jié)果：

實驗可以得到結(jié)論，對稱非共振式壓電直線電機可以實現(xiàn)連續(xù)作動模式、交替步進(jìn)模式以及單步作動模式三種不同的工作模式下的運動，可以適用于不同的工作場合，多工作模式的結(jié)合可以在同一臺電機中實現(xiàn)大行程與高分辨率運動的統(tǒng)一。

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圖：ATA-3080C功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇