實驗名稱：基于螺旋電極扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的沖擊式旋轉(zhuǎn)壓電馬達(dá)性能測試

測試目的：為了測量壓電馬達(dá)的一些力學(xué)特性，我們設(shè)計了實驗測量裝置和實驗機(jī)構(gòu)，主要對壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系、轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系進(jìn)行了測量，并對壓電馬達(dá)的一些力學(xué)特性進(jìn)行了測量。

測試設(shè)備：高壓放大器、數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、激光多普勒測振儀、激光測微儀等。

實驗過程：

圖1：壓電馬達(dá)轉(zhuǎn)速測量裝置

壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速測量裝置如圖1所示，其中數(shù)字合成信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波驅(qū)動信號，數(shù)字合成信號發(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波形，該信號發(fā)生器可以方便的設(shè)置輸出信號。通過高壓放大器將鋸齒波信號放大，該放大器可以滿足壓電陶瓷纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的驅(qū)動要求，經(jīng)過放大器的鋸齒波信號就可以用來驅(qū)動壓電陶瓷纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器了。

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

實驗結(jié)果：

（A）調(diào)頻步進(jìn)特性

圖2：調(diào)頻步進(jìn)特性曲線

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

（B）調(diào)幅特性

圖3：調(diào)幅步進(jìn)特性曲線

圖3為在f=30Hz時不同驅(qū)動電壓下激光多普勒測振儀測得的一組壓電馬達(dá)扭轉(zhuǎn)角特性的曲線，反映了壓電馬達(dá)的調(diào)幅步進(jìn)特性。測量點有Vpp＝400V、Vpp＝600V、Vpp＝800V、Vpp＝1kV。圖中可以清楚地看到，當(dāng)驅(qū)動電壓越高時馬達(dá)的步進(jìn)角越大。馬達(dá)在完成8次步進(jìn)之后旋轉(zhuǎn)過的角度分別為0.317°、0.913°、1.689°、2.231°，驅(qū)動電壓幅度差值與旋轉(zhuǎn)角差值有線性關(guān)系，比例因子為4×10-4°/V。在測量過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動電壓峰-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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審核編輯 黃宇