實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：電機(jī)特性實(shí)驗(yàn)研究

研究目的：介紹了對(duì)稱(chēng)式雙足壓電直線(xiàn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理，以此為基礎(chǔ)建立了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型，詳細(xì)討論了多種驅(qū)動(dòng)信號(hào)下，電機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的多種工作模式，對(duì)模型進(jìn)行了分析。對(duì)定子形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了三種不同的電機(jī)形式，分別對(duì)電機(jī)進(jìn)行理論模型分析，運(yùn)用有限元進(jìn)行仿真，對(duì)電機(jī)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作樣機(jī)，進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)研究。

測(cè)試設(shè)備：功率放大器、信號(hào)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(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

一、連續(xù)作動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)

在四組疊層壓電陶瓷上施加一定相位差的對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)，可以使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)足做橢圓運(yùn)動(dòng)，通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)電機(jī)導(dǎo)軌輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于長(zhǎng)柔鉸壓電電機(jī)，調(diào)節(jié)輸入電壓以及頻率可以得到下圖所示的電機(jī)速度特性曲線(xiàn)。

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

頻率與電壓增高時(shí)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度近似成線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)輸入電壓為100V、頻率為100Hz時(shí)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度為446.4μm/s。在這種模式下，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)模式實(shí)驗(yàn)

在疊層壓電陶瓷上施加一定規(guī)律的方波三角波信號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)足按矩形軌跡運(yùn)動(dòng)，從而通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于連續(xù)作動(dòng)模式，該種模式下電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度更快。

圖：對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)步進(jìn)模式結(jié)果圖

上圖（a）所示為對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)在不同頻率下的電壓-速度關(guān)系圖，電機(jī)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(jī)運(yùn)動(dòng)速度隨著輸入電壓的增長(zhǎng)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為120Hz，電壓為120V時(shí)，電機(jī)速度為670.22μm/s。如上圖（b）所示為其在輸入信號(hào)電壓100V下頻率-速度關(guān)系圖，電機(jī)速度隨頻率增長(zhǎng)表現(xiàn)出一定的線(xiàn)性，在某些點(diǎn)出現(xiàn)了一定的誤差。當(dāng)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(yīng)影響，無(wú)法較好的控制雙驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)時(shí)序，從而導(dǎo)致了電機(jī)無(wú)法正常工作。

三、單步作動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)（分辨率測(cè)試）

圖：對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)單步降頻分辨率測(cè)試結(jié)果

如上圖所示為對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)的步距測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在輸入信號(hào)電壓為100V，頻率依次為100Hz，50Hz，10Hz和1Hz時(shí)，電機(jī)單步步距分別為3.61μm，3.57μm，0.65μm和0.35μm。理論分析中，電機(jī)步距不隨頻率變化而變化，而實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)試誤差以及動(dòng)子測(cè)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(xiàn)象較為明顯，這是由于定子的雙驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子的接觸狀態(tài)有一定的差異，在運(yùn)動(dòng)中不能做到完美的接觸與分離所導(dǎo)致的。動(dòng)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(dòng)子的回撤現(xiàn)象在慣性作用下有所減緩，此時(shí)的步距更能代表該電機(jī)的性能。對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)的分辨率為0.35μm。

四、負(fù)載承載實(shí)驗(yàn)

圖：對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)負(fù)載特性曲線(xiàn)

上圖所示為對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)在100Hz和200Hz時(shí)的負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電機(jī)速度隨負(fù)載增大而線(xiàn)性減小，當(dāng)輸入信號(hào)電壓為100V時(shí)，最大負(fù)載力約為3N。由于非共振式壓電直線(xiàn)電機(jī)依靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，并且工作在較低的頻率，所以其負(fù)載力普遍較小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)論，對(duì)稱(chēng)非共振式壓電直線(xiàn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(yùn)動(dòng)，可以適用于不同的工作場(chǎng)合，多工作模式的結(jié)合可以在同一臺(tái)電機(jī)中實(shí)現(xiàn)大行程與高分辨率運(yùn)動(dòng)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