高压功率放大器在超声电机性能测试与闭环实验中的应用

实验名称：两自由度超声电机性能测试与闭环控制实验

研究方向：压电驱动技术，两自由度超声电机的设计、机电耦合建模、性能测试及闭环控制研究

实验目的：本实验为验证基于纵振和弯弯复合振动的两自由度超声电机的设计合理性，实现沿机械臂运行（直线运动）和驱动机械臂关节旋转（旋转运动）的双功能。测试超声电机的阻抗特性、振动特性及机械输出特性，为机电耦合数学模型提供实验验证。搭建闭环控制系统，通过PID控制实现超声电机对速度阶跃信号的精准跟踪，奠定压电驱动平台精密定位的技术基础。验证超声电机驱动机械臂的可行性，为工业机器人向高速、高精度、轻量化方向发展提供理论与技术支撑。

测试设备：超声电机、信号发生器、ATA-4051高压功率放大器、阻抗分析仪、测力矩扳手、光电编码器、SIKO磁栅尺传感器、PC等。

图1超声电机驱动控制示意图

图2超声电机驱动控制实物图

实验过程：先加工组装两自由度超声电机样机并预紧，搭建基础性能测试系统与Quanser闭环控制系统；随后测试电机阻抗特性，分别在弯弯复合振动、纵振模式下，改变频率、电压幅值及负载，测试输出速度；最后基于MATLAB/Simulink建立PID控制模型，给定阶跃速度信号，通过磁栅尺反馈实现闭环控制并记录数据。

实验结果：阻抗测试显示弯弯复合振动与纵振模式均有稳定共振频率，与仿真值存在微小偏差；机械输出上，弯弯复合振动最大空载速度297.05mm/s，纵振模式（60°夹角）最大空载速度394.96mm/s，两种模式30N负载下均有稳定输出；闭环控制中，纵振模式响应时间≤0.3s、稳态误差<5%，弯弯复合振动模式响应时间≤0.2s、稳态误差<3%，验证了电机双自由度运动及驱动机械臂的可行性。

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审核编辑 黄宇