實驗名稱：電機特性實驗研究

　　研究(jiu)目的：介紹了(le)對稱式(shi)雙足壓電(dian)(dian)(dian)直線電(dian)(dian)(dian)機(ji)的結構(gou)及(ji)其(qi)驅動機(ji)理，以此為(wei)基礎建(jian)立了(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的運動模型(xing)(xing)(xing)，詳(xiang)細討論(lun)了(le)多種(zhong)驅動信號(hao)下，電(dian)(dian)(dian)機(ji)所(suo)能實現的多種(zhong)工作(zuo)模式(shi)，對模型(xing)(xing)(xing)進行(xing)(xing)(xing)了(le)分(fen)析。對定子形式(shi)進行(xing)(xing)(xing)優化設(she)計，提出了(le)三種(zhong)不同的電(dian)(dian)(dian)機(ji)形式(shi)，分(fen)別(bie)對電(dian)(dian)(dian)機(ji)進行(xing)(xing)(xing)理論(lun)模型(xing)(xing)(xing)分(fen)析，運用有限元進行(xing)(xing)(xing)仿(fang)真，對電(dian)(dian)(dian)機(ji)進行(xing)(xing)(xing)整(zheng)體結構(gou)設(she)計并(bing)制作(zuo)樣機(ji)，進行(xing)(xing)(xing)性能實驗(yan)研究(jiu)。

　　測試設備：功率放大器、信(xin)號發生(sheng)器(qi)(qi)(qi)、示波器(qi)(qi)(qi)、壓電作動器(qi)(qi)(qi)、激光位(wei)移(yi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)等(deng)

　　圖：實驗裝置圖

　　實驗過程：

　　一、連續作動模式實驗

　　在四(si)組疊層壓電陶(tao)瓷上施加一定相位差的(de)對應的(de)正弦波信號，可(ke)(ke)以(yi)使得電機(ji)(ji)驅(qu)動足做橢圓運動，通過摩擦力驅(qu)動電機(ji)(ji)導軌輸出直線運動。對于長柔鉸壓電電機(ji)(ji)，調節輸入(ru)電壓以(yi)及頻率(lv)可(ke)(ke)以(yi)得到下圖所(suo)示的(de)電機(ji)(ji)速度(du)特性曲線。

　　圖(tu)：連(lian)續(xu)作(zuo)動模式不(bu)同頻率下長柔鉸(jiao)電機電壓-速度關系曲線(xian)

　　頻率與電(dian)(dian)壓增高時，電(dian)(dian)機(ji)(ji)運動(dong)速度近似(si)成(cheng)線性增長。當輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓為100V、頻率為100Hz時，電(dian)(dian)機(ji)(ji)運動(dong)速度為446.4μm/s。在這(zhe)種模式下，電(dian)(dian)機(ji)(ji)的運動(dong)較為平(ping)穩，噪音較小，其不足(zu)在于速度較小。

　　二、交(jiao)替步進作動(dong)模式實(shi)驗

　　在疊層(ceng)壓電陶(tao)瓷(ci)上施(shi)加一(yi)定規律的方波(bo)三(san)角波(bo)信號時，可以實現電機驅(qu)(qu)動(dong)(dong)足(zu)按矩形軌跡運(yun)動(dong)(dong)，從而通過摩(mo)擦力驅(qu)(qu)動(dong)(dong)導(dao)軌直線運(yun)動(dong)(dong)。相對于連續(xu)作動(dong)(dong)模(mo)式(shi)，該(gai)種模(mo)式(shi)下(xia)電機運(yun)動(dong)(dong)速度更快。

　　圖(tu)：對稱(cheng)原理樣機步進模式結果圖(tu)

　　上圖(tu)（a）所示為(wei)對稱(cheng)原理樣機(ji)在(zai)(zai)不同頻(pin)率下的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓-速度(du)(du)關(guan)系圖(tu)，電(dian)(dian)(dian)機(ji)交替步(bu)進(jin)模式下工作頻(pin)帶(dai)為(wei)10Hz到(dao)120Hz，工作電(dian)(dian)(dian)壓范圍為(wei)80-120V,電(dian)(dian)(dian)機(ji)運動速度(du)(du)隨(sui)著輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)增長呈(cheng)線性增長。當(dang)輸(shu)入信號頻(pin)率為(wei)120Hz，電(dian)(dian)(dian)壓為(wei)120V時，電(dian)(dian)(dian)機(ji)速度(du)(du)為(wei)670.22μm/s。如上圖(tu)（b）所示為(wei)其在(zai)(zai)輸(shu)入信號電(dian)(dian)(dian)壓100V下頻(pin)率-速度(du)(du)關(guan)系圖(tu)，電(dian)(dian)(dian)機(ji)速度(du)(du)隨(sui)頻(pin)率增長表現(xian)出一定(ding)的(de)(de)(de)線性，在(zai)(zai)某些點出現(xian)了(le)一定(ding)的(de)(de)(de)誤差。當(dang)頻(pin)率增大到(dao)120Hz以上時，由于受到(dao)第二章(zhang)提到(dao)的(de)(de)(de)疊層壓電(dian)(dian)(dian)陶瓷(ci)的(de)(de)(de)遲滯效(xiao)應影(ying)響，無法(fa)(fa)較好的(de)(de)(de)控制雙驅動足的(de)(de)(de)運動時序(xu)，從而導(dao)致了(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)無法(fa)(fa)正常工作。

　　三、單步作動(dong)模(mo)式實驗(yan)（分辨率(lv)測試）

　　圖：對稱原理樣(yang)機單步降頻分辨率測試結果

　　如上圖所示為(wei)對稱(cheng)原理樣(yang)(yang)機的(de)步距(ju)測(ce)試(shi)(shi)實驗結果，在(zai)(zai)輸入信號(hao)電(dian)(dian)壓為(wei)100V，頻(pin)(pin)率依次為(wei)100Hz，50Hz，10Hz和1Hz時(shi)(shi)(shi)，電(dian)(dian)機單步步距(ju)分(fen)別為(wei)3.61μm，3.57μm，0.65μm和0.35μm。理論分(fen)析中(zhong)，電(dian)(dian)機步距(ju)不(bu)隨頻(pin)(pin)率變化(hua)而(er)變化(hua)，而(er)實驗結果中(zhong)頻(pin)(pin)率降低(di)時(shi)(shi)(shi)，步距(ju)卻(que)有(you)了(le)明顯的(de)減小(xiao)。從100Hz到(dao)50Hz時(shi)(shi)(shi)，其(qi)誤差(cha)較小(xiao)，主要來源于測(ce)試(shi)(shi)誤差(cha)以及(ji)動(dong)子測(ce)試(shi)(shi)段表面形態(tai)的(de)微(wei)小(xiao)差(cha)異；而(er)從50Hz到(dao)10Hz以及(ji)1Hz時(shi)(shi)(shi)，誤差(cha)增加，從圖線(xian)中(zhong)可以得知在(zai)(zai)低(di)頻(pin)(pin)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，動(dong)子的(de)回(hui)撤(che)現(xian)象較為(wei)明顯，這是由于定(ding)子的(de)雙驅動(dong)足與(yu)動(dong)子的(de)接(jie)觸狀(zhuang)態(tai)有(you)一定(ding)的(de)差(cha)異，在(zai)(zai)運(yun)動(dong)中(zhong)不(bu)能做到(dao)完(wan)美的(de)接(jie)觸與(yu)分(fen)離(li)所導致的(de)。動(dong)子的(de)回(hui)撤(che)直接(jie)影響了(le)單步步距(ju)的(de)準確性(xing)，在(zai)(zai)頻(pin)(pin)率較高的(de)情況(kuang)下(xia)，動(dong)子的(de)回(hui)撤(che)現(xian)象在(zai)(zai)慣性(xing)作用下(xia)有(you)所減緩，此時(shi)(shi)(shi)的(de)步距(ju)更能代表該(gai)電(dian)(dian)機的(de)性(xing)能。對稱(cheng)原理樣(yang)(yang)機的(de)分(fen)辨率為(wei)0.35μm。

　　四、負載承載實驗

　　圖：對稱原(yuan)理樣機負載特(te)性(xing)曲線

　　上圖所示為(wei)對稱原理樣(yang)機在(zai)100Hz和200Hz時的負(fu)載實驗結果。電(dian)機速度隨(sui)負(fu)載增(zeng)大(da)而線性減小，當輸入信號電(dian)壓(ya)為(wei)100V時，最大(da)負(fu)載力(li)(li)(li)約為(wei)3N。由于非共(gong)振式壓(ya)電(dian)直線電(dian)機依靠摩擦力(li)(li)(li)驅動，并且工作在(zai)較(jiao)低(di)的頻率，所以其負(fu)載力(li)(li)(li)普(pu)遍較(jiao)小。

　　實驗結果：

　　實(shi)驗可(ke)以(yi)(yi)得(de)到結(jie)(jie)論，對稱非共(gong)振式(shi)(shi)壓電(dian)直線(xian)電(dian)機(ji)(ji)可(ke)以(yi)(yi)實(shi)現連續作動模(mo)式(shi)(shi)、交替步(bu)進模(mo)式(shi)(shi)以(yi)(yi)及單步(bu)作動模(mo)式(shi)(shi)三種不(bu)同的(de)工作模(mo)式(shi)(shi)下(xia)的(de)運動，可(ke)以(yi)(yi)適用于不(bu)同的(de)工作場合，多(duo)工作模(mo)式(shi)(shi)的(de)結(jie)(jie)合可(ke)以(yi)(yi)在同一臺電(dian)機(ji)(ji)中實(shi)現大行程(cheng)與高(gao)分辨(bian)率(lv)運動的(de)統一。

　　功率放大器(qi)推薦：ATA-3080

圖：ATA-3080功率放大器指標參數

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