安泰功率放大器在电机特性实验研究中的应用

实验名称：电机特性实验研究

研究目的：介绍了对称式双足压电直线电机的结构及其驱动机理，以此为基础建立了电机的运动模型，详细讨论了多种驱动信号下，电机所能实现的多种工作模式，对模型进行了分析。对定子形式进行优化设计，提出了三种不同的电机形式，分别对电机进行理论模型分析，运用有限元进行仿真，对电机进行整体结构设计并制作样机，进行性能实验研究。

测试设备：功率放大器、信号发生器、示波器、压电作动器、激光位移传感器等

图：实验装置图

实验过程：

一、连续作动模式实验

在四组叠层压电陶瓷上施加一定相位差的对应的正弦波信号，可以使得电机驱动足做椭圆运动，通过摩擦力驱动电机导轨输出直线运动。对于长柔铰压电电机，调节输入电压以及频率可以得到下图所示的电机速度特性曲线。

图：连续作动模式不同频率下长柔铰电机电压-速度关系曲线

频率与电压增高时，电机运动速度近似成线性增长。当输入电压为100V、频率为100Hz时，电机运动速度为446.4μm/s。在这种模式下，电机的运动较为平稳，噪音较小，其不足在于速度较小。

二、交替步进作动模式实验

在叠层压电陶瓷上施加一定规律的方波三角波信号时，可以实现电机驱动足按矩形轨迹运动，从而通过摩擦力驱动导轨直线运动。相对于连续作动模式，该种模式下电机运动速度更快。

图：对称原理样机步进模式结果图

上图（a）所示为对称原理样机在不同频率下的电压-速度关系图，电机交替步进模式下工作频带为10Hz到120Hz，工作电压范围为80-120V,电机运动速度随着输入电压的增长呈线性增长。当输入信号频率为120Hz，电压为120V时，电机速度为670.22μm/s。如上图（b）所示为其在输入信号电压100V下频率-速度关系图，电机速度随频率增长表现出一定的线性，在某些点出现了一定的误差。当频率增大到120Hz以上时，由于受到第二章提到的叠层压电陶瓷的迟滞效应影响，无法较好的控制双驱动足的运动时序，从而导致了电机无法正常工作。

三、单步作动模式实验（分辨率测试）

图：对称原理样机单步降频分辨率测试结果

如上图所示为对称原理样机的步距测试实验结果，在输入信号电压为100V，频率依次为100Hz，50Hz，10Hz和1Hz时，电机单步步距分别为3.61μm，3.57μm，0.65μm和0.35μm。理论分析中，电机步距不随频率变化而变化，而实验结果中频率降低时，步距却有了明显的减小。从100Hz到50Hz时，其误差较小，主要来源于测试误差以及动子测试段表面形态的微小差异；而从50Hz到10Hz以及1Hz时，误差增加，从图线中可以得知在低频状态下，动子的回撤现象较为明显，这是由于定子的双驱动足与动子的接触状态有一定的差异，在运动中不能做到完美的接触与分离所导致的。动子的回撤直接影响了单步步距的准确性，在频率较高的情况下，动子的回撤现象在惯性作用下有所减缓，此时的步距更能代表该电机的性能。对称原理样机的分辨率为0.35μm。

四、负载承载实验

图：对称原理样机负载特性曲线

上图所示为对称原理样机在100Hz和200Hz时的负载实验结果。电机速度随负载增大而线性减小，当输入信号电压为100V时，最大负载力约为3N。由于非共振式压电直线电机依靠摩擦力驱动，并且工作在较低的频率，所以其负载力普遍较小。

实验结果：

实验可以得到结论，对称非共振式压电直线电机可以实现连续作动模式、交替步进模式以及单步作动模式三种不同的工作模式下的运动，可以适用于不同的工作场合，多工作模式的结合可以在同一台电机中实现大行程与高分辨率运动的统一。

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审核编辑 黄宇