實驗名稱：基(ji)于螺旋(xuan)電極扭轉驅(qu)動器的沖擊式(shi)旋(xuan)轉壓電馬達性能測(ce)試

　　測試目的：為了測量(liang)壓電馬(ma)達的一些(xie)(xie)力(li)學特性，我們(men)設計了實(shi)驗測量(liang)裝置和實(shi)驗機(ji)構，主要對(dui)壓電馬(ma)達的轉(zhuan)速與電壓的關系、轉(zhuan)速與頻率的關系進(jin)行(xing)了測量(liang)，并(bing)對(dui)壓電馬(ma)達的一些(xie)(xie)力(li)學特性進(jin)行(xing)了測量(liang)。

　　測試設備：高壓放大器、數(shu)字示波器(qi)、信號(hao)發(fa)生器(qi)、激光多普勒測振儀、激光測微儀等(deng)。

　　實驗過程：

　　圖1：壓電馬達轉速測量裝(zhuang)置

　　壓(ya)電(dian)馬達(da)的轉(zhuan)速測量裝置如圖(tu)1所(suo)示，其中數字(zi)合成信(xin)號(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)產生(sheng)(sheng)鋸齒波(bo)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)信(xin)號(hao)(hao)，數字(zi)合成信(xin)號(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)可(ke)以(yi)(yi)根據(ju)需要輸(shu)出符合頻率要求、-10V~10V幅度可(ke)調(diao)、從三角波(bo)到鋸齒波(bo)的信(xin)號(hao)(hao)波(bo)形，該(gai)(gai)信(xin)號(hao)(hao)發生(sheng)(sheng)器(qi)(qi)可(ke)以(yi)(yi)方便的設置輸(shu)出信(xin)號(hao)(hao)。通過高壓(ya)放大器(qi)(qi)將鋸齒波(bo)信(xin)號(hao)(hao)放大，該(gai)(gai)放大器(qi)(qi)可(ke)以(yi)(yi)滿(man)足壓(ya)電(dian)陶瓷纖維(wei)扭轉(zhuan)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)的驅動(dong)(dong)(dong)(dong)要求，經過放大器(qi)(qi)的鋸齒波(bo)信(xin)號(hao)(hao)就可(ke)以(yi)(yi)用來驅動(dong)(dong)(dong)(dong)壓(ya)電(dian)陶瓷纖維(wei)扭轉(zhuan)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)(qi)了。

　　壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)步進(jin)(jin)特(te)性(xing)(xing)(xing)是(shi)通過多普勒(le)(le)(le)激光(guang)(guang)(guang)測(ce)(ce)(ce)振儀(yi)(yi)(yi)，該測(ce)(ce)(ce)振儀(yi)(yi)(yi)由光(guang)(guang)(guang)學檢測(ce)(ce)(ce)部(bu)(bu)、觀察部(bu)(bu)、試料臺、速(su)度(du)(du)信號(hao)處(chu)理部(bu)(bu)、穩頻激光(guang)(guang)(guang)器五(wu)部(bu)(bu)分(fen)組成，可(ke)(ke)(ke)以測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)Z軸和(he)(he)X軸的(de)(de)(de)目標物體(ti)的(de)(de)(de)運動(dong)(dong)速(su)度(du)(du)。在(zai)(zai)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)步進(jin)(jin)特(te)性(xing)(xing)(xing)是(shi)使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)是(shi)X軸測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)，如圖1所示，激光(guang)(guang)(guang)頭(tou)垂直照(zhao)射在(zai)(zai)負(fu)(fu)載(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)軸上，并(bing)使(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)點聚焦在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)軸表面(mian)(mian)(mian)，當負(fu)(fu)載(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)軸被壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)帶動(dong)(dong)旋轉是(shi)，可(ke)(ke)(ke)以認為一個平(ping)面(mian)(mian)(mian)在(zai)(zai)X軸方向(xiang)移動(dong)(dong)，這樣就可(ke)(ke)(ke)以采集數(shu)(shu)據(ju)，經過速(su)度(du)(du)信號(hao)處(chu)理部(bu)(bu)輸入到計(ji)算(suan)機，就可(ke)(ke)(ke)以得(de)到壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)步進(jin)(jin)特(te)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)。X軸測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時(shi)(shi)的(de)(de)(de)分(fen)辨率(lv)分(fen)兩檔：4nm和(he)(he)40nm，最大測(ce)(ce)(ce)定速(su)度(du)(du)分(fen)別為40mm/Sec和(he)(he)400mm/Sec，在(zai)(zai)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時(shi)(shi)選擇(ze)4nm分(fen)辨率(lv)。因為激光(guang)(guang)(guang)多普勒(le)(le)(le)測(ce)(ce)(ce)振儀(yi)(yi)(yi)在(zai)(zai)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)橫向(xiang)速(su)度(du)(du)時(shi)(shi)需要被測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)物體(ti)的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)有(you)一定的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)潔度(du)(du)，因此(ci)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)前要對測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)負(fu)(fu)載(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)軸進(jin)(jin)行拋光(guang)(guang)(guang)；實際測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時(shi)(shi)，激光(guang)(guang)(guang)多普勒(le)(le)(le)測(ce)(ce)(ce)振儀(yi)(yi)(yi)探測(ce)(ce)(ce)到的(de)(de)(de)是(shi)物體(ti)表面(mian)(mian)(mian)漫反射光(guang)(guang)(guang)，因此(ci)被測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)表面(mian)(mian)(mian)也不(bu)能(neng)太光(guang)(guang)(guang)滑，否則得(de)不(bu)到信號(hao)。測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)時(shi)(shi)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)放在(zai)(zai)微(wei)動(dong)(dong)平(ping)臺上，結合(he)調整激光(guang)(guang)(guang)多普勒(le)(le)(le)測(ce)(ce)(ce)振儀(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)頭(tou)，使(shi)(shi)激光(guang)(guang)(guang)垂直地(di)照(zhao)射在(zai)(zai)負(fu)(fu)載(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)軸的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)，調整儀(yi)(yi)(yi)器各項參(can)數(shu)(shu)，就可(ke)(ke)(ke)以對壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)步進(jin)(jin)特(te)性(xing)(xing)(xing)進(jin)(jin)行測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)了。將測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)信號(hao)用(yong)計(ji)算(suan)機采集并(bing)對數(shu)(shu)據(ju)進(jin)(jin)行存儲(chu)和(he)(he)處(chu)理，就可(ke)(ke)(ke)以得(de)到壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)馬達(da)(da)的(de)(de)(de)相關(guan)步進(jin)(jin)特(te)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)曲線。

　　實驗結果：

　　（A）調頻步進特性

　　圖2：調頻步(bu)進特(te)性曲線

　　圖2為在Vpp=600V時不同(tong)驅動頻率下激光多(duo)普勒測(ce)振(zhen)儀測(ce)得(de)的一組(zu)壓電馬達扭轉角(jiao)(jiao)特性曲線，反映了(le)壓電馬達的調頻步(bu)進(jin)特性。測(ce)量頻率點(dian)分別為f=1Hz、f=10Hz、f=100Hz、f=1kHz。將每個(ge)步(bu)進(jin)分成前進(jin)和(he)回撤兩(liang)個(ge)過程，前進(jin)角(jiao)(jiao)減(jian)去回撤角(jiao)(jiao)就是(shi)步(bu)進(jin)角(jiao)(jiao)。測(ce)量結(jie)果發(fa)現，在不同(tong)頻率下步(bu)進(jin)角(jiao)(jiao)是(shi)一樣的，每個(ge)步(bu)進(jin)大(da)約0.063°。

　　（B）調幅特性

　　圖(tu)3：調幅步進特性(xing)曲線(xian)

　　圖3為在f=30Hz時不同驅動電壓下激光多普勒測振儀測得的一組壓電馬達扭轉角特性的曲線，反映了壓電馬達的調幅步進特性。測量點有Vpp＝400V、Vpp＝600V、Vpp＝800V、Vpp＝1kV。圖中可以清楚地看到，當驅動電壓越高時馬達的步進角越大。馬達在完成8次步進之后旋轉過的角度分別為0.317°、0.913°、1.689°、2.231°，驅動電壓幅度差值與旋轉角差值有線性關系，比例因子為4×10^-4°/V。在測量過程中還發(fa)現，當驅動電(dian)壓峰-峰值小于360V的(de)條件下壓電(dian)馬(ma)達不(bu)能(neng)正常工(gong)作。克服軸承的(de)阻力(li)可能(neng)是導致壓電(dian)馬(ma)達不(bu)能(neng)工(gong)作的(de)主要原(yuan)因。

　　高壓放大器推薦：ATA-7015

　　圖：ATA-7015高壓放大器指標參數

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