實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：基于螺旋電極扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的沖擊式旋轉(zhuǎn)壓電馬達(dá)性能測(cè)試

測(cè)試目的：為了測(cè)量壓電馬達(dá)的一些力學(xué)特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)，主要對(duì)壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系、轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)壓電馬達(dá)的一些力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、激光多普勒測(cè)振儀、激光測(cè)微儀等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：壓電馬達(dá)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置

壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置如圖1所示，其中數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器可以根據(jù)需要輸出符合頻率要求、-10V~10V幅度可調(diào)、從三角波到鋸齒波的信號(hào)波形，該信號(hào)發(fā)生器可以方便的設(shè)置輸出信號(hào)。通過(guò)高壓放大器將鋸齒波信號(hào)放大，該放大器可以滿(mǎn)足壓電陶瓷纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求，經(jīng)過(guò)放大器的鋸齒波信號(hào)就可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器了。

壓電馬達(dá)的步進(jìn)特性是通過(guò)多普勒激光測(cè)振儀，該測(cè)振儀由光學(xué)檢測(cè)部、觀(guān)察部、試料臺(tái)、速度信號(hào)處理部、穩(wěn)頻激光器五部分組成，可以測(cè)量Z軸和X軸的目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度。在測(cè)量壓電馬達(dá)步進(jìn)特性是使用的是X軸測(cè)量，如圖1所示，激光頭垂直照射在負(fù)載光軸上，并使光點(diǎn)聚焦在光軸表面，當(dāng)負(fù)載光軸被壓電馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)是，可以認(rèn)為一個(gè)平面在X軸方向移動(dòng)，這樣就可以采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)速度信號(hào)處理部輸入到計(jì)算機(jī)，就可以得到壓電馬達(dá)步進(jìn)特性的數(shù)據(jù)。X軸測(cè)量時(shí)的分辨率分兩檔：4nm和40nm，最大測(cè)定速度分別為40mm/Sec和400mm/Sec，在測(cè)量時(shí)選擇4nm分辨率。因?yàn)榧す舛嗥绽諟y(cè)振儀在測(cè)量橫向速度時(shí)需要被測(cè)量物體的表面有一定的光潔度，因此測(cè)量前要對(duì)測(cè)量負(fù)載光軸進(jìn)行拋光；實(shí)際測(cè)量時(shí)，激光多普勒測(cè)振儀探測(cè)到的是物體表面漫反射光，因此被測(cè)量表面也不能太光滑，否則得不到信號(hào)。測(cè)量時(shí)壓電馬達(dá)放在微動(dòng)平臺(tái)上，結(jié)合調(diào)整激光多普勒測(cè)振儀的激光頭，使激光垂直地照射在負(fù)載光軸的表面，調(diào)整儀器各項(xiàng)參數(shù)，就可以對(duì)壓電馬達(dá)的步進(jìn)特性進(jìn)行測(cè)量了。將測(cè)量的信號(hào)用計(jì)算機(jī)采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，就可以得到壓電馬達(dá)的相關(guān)步進(jìn)特性的曲線(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（A）調(diào)頻步進(jìn)特性

圖2：調(diào)頻步進(jìn)特性曲線(xiàn)

圖2為在Vpp=600V時(shí)不同驅(qū)動(dòng)頻率下激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的一組壓電馬達(dá)扭轉(zhuǎn)角特性曲線(xiàn)，反映了壓電馬達(dá)的調(diào)頻步進(jìn)特性。測(cè)量頻率點(diǎn)分別為f=1Hz、f=10Hz、f=100Hz、f=1kHz。將每個(gè)步進(jìn)分成前進(jìn)和回撤兩個(gè)過(guò)程，前進(jìn)角減去回撤角就是步進(jìn)角。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同頻率下步進(jìn)角是一樣的，每個(gè)步進(jìn)大約0.063°。

（B）調(diào)幅特性

圖3：調(diào)幅步進(jìn)特性曲線(xiàn)

圖3為在f=30Hz時(shí)不同驅(qū)動(dòng)電壓下激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的一組壓電馬達(dá)扭轉(zhuǎn)角特性的曲線(xiàn)，反映了壓電馬達(dá)的調(diào)幅步進(jìn)特性。測(cè)量點(diǎn)有Vpp＝400V、Vpp＝600V、Vpp＝800V、Vpp＝1kV。圖中可以清楚地看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓越高時(shí)馬達(dá)的步進(jìn)角越大。馬達(dá)在完成8次步進(jìn)之后旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度分別為0.317°、0.913°、1.689°、2.231°，驅(qū)動(dòng)電壓幅度差值與旋轉(zhuǎn)角差值有線(xiàn)性關(guān)系，比例因子為4×10-4°/V。在測(cè)量過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值小于360V的條件下壓電馬達(dá)不能正常工作。克服軸承的阻力可能是導(dǎo)致壓電馬達(dá)不能工作的主要原因。

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圖：ATA-7015高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇