电压放大器赋能压电精密运动：基于超高精度位移平台研究与实现

实验名称：基于振动滤波器的高精度压电位移平台研究的实验

研究方向：振动滤波器在压电马达领域的应用。

实验目的：本研究旨在深入探究压电马达中质量和刚度分布对其运动特性的影响机制，首次在压电马达领域提出振动质量隔离思想，通过引入振动滤波器可控地调整压电马达的质量和刚度分布，以改善驻波型、行波型、惯性冲击型压电马达及压电位移平台的运动特性，提高运行效率、解决谐振点漂移、增强重载能力等问题，并从理论或实验角度阐述基于振动滤波器的振动质量隔离方法的工作机制。

测试设备：ATA-2168高压放大器、信号发生器、示波器、激光位移传感器、自制涡流位移传感器等。

图1：实验测试平台

实验过程：

图2：柔性铰链结构设计

基于振动滤波器的高精度压电位移平台实验中，首先设计对照实验，将原滑块分为主动滑块与被动滑块并通过柔性铰链连接，构成基于振动滤波器的移动台，另一组为参考移动台，两者均放置于V形槽导轨上，通过铜-石墨直线轴承保证压电致动器沿长度方向运动，利用可调整底座调节预紧弹簧变形以优化预紧力。实验时，由信号发生器生成阶跃、方波等驱动信号，经功率放大器推动后作用于压电致动器，通过示波器监测驱动电压，采用激光位移传感器测量移动台位移，后期纳米级定位测试改用自制涡流位移传感器。通过改变驱动信号波形（如方波、锯齿波、尖脉冲波）和摩擦力大小，记录移动台阶跃响应、连续运动特性等数据，结合四阶Runge-Kutta法求解动力学模型，分析振动滤波器对平台速度、重载能力及定位精度的影响。

实验结果：

图3：移动台的阶跃响应

图4：移动台阶跃响应与驱动电乐的关系

图5：移动台的连续运动特性

基于振动滤波器的高精度压电位移平台实验结果表明，该平台在继承参考平台驱动电源成本低廉、结构紧凑、纳米级定位能力（10nm量级）等优点的基础上，速度和重载能力显著提升：阶跃响应中最终位移达6.5μm，约为参考平台的4倍，拖动大质量负载时移动效率提升明显；连续运动测试中，方波驱动下速度更快，且通过调整驱动信号波形（如尖脉冲波）可减少位移过冲；动力学模型计算验证，1.5倍摩擦力下平台正向位移增大，柔性铰链设计虽降低整体刚度但通过优化可平衡刚度与隔离效果，实现了在不影响纳米级定位精度的前提下，有效提升平台运动性能的目标。

放大器在该实验中发挥的效能：在基于振动滤波器的高精度压电位移平台实验中，功率放大器发挥了关键效能：其将信号发生器生成的驱动信号进行功率放大，使低功率电信号转化为足以驱动压电致动器的高功率信号，确保压电堆能产生足够的机械位移以推动平台运动。通过稳定放大阶跃、方波等驱动信号，放大器保障了压电致动器对驱动信号的准确响应，进而使平台在实验中实现了速度和重载能力的提升，为验证振动滤波器对平台运动特性的改善提供了可靠的功率支撑。

安泰ATA-2168高压放大器：

图：ATA-2168高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇