實驗名稱：兩自由度超聲電機性能測試與閉環(huán)控制實驗

研究方向：壓電驅(qū)動技術(shù)，兩自由度超聲電機的設(shè)計、機電耦合建模、性能測試及閉環(huán)控制研究

實驗目的：本實驗為驗證基于縱振和彎彎復合振動的兩自由度超聲電機的設(shè)計合理性，實現(xiàn)沿機械臂運行（直線運動）和驅(qū)動機械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)運動）的雙功能。測試超聲電機的阻抗特性、振動特性及機械輸出特性，為機電耦合數(shù)學模型提供實驗驗證。搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過PID控制實現(xiàn)超聲電機對速度階躍信號的精準跟蹤，奠定壓電驅(qū)動平臺精密定位的技術(shù)基礎(chǔ)。驗證超聲電機驅(qū)動機械臂的可行性，為工業(yè)機器人向高速、高精度、輕量化方向發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

測試設(shè)備：超聲電機、信號發(fā)生器、ATA-4051高壓功率放大器、阻抗分析儀、測力矩扳手、光電編碼器、SIKO磁柵尺傳感器、PC等。

圖1超聲電機驅(qū)動控制示意圖

圖2超聲電機驅(qū)動控制實物圖

實驗過程：先加工組裝兩自由度超聲電機樣機并預緊，搭建基礎(chǔ)性能測試系統(tǒng)與Quanser閉環(huán)控制系統(tǒng)；隨后測試電機阻抗特性，分別在彎彎復合振動、縱振模式下，改變頻率、電壓幅值及負載，測試輸出速度；最后基于MATLAB/Simulink建立PID控制模型，給定階躍速度信號，通過磁柵尺反饋實現(xiàn)閉環(huán)控制并記錄數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果：阻抗測試顯示彎彎復合振動與縱振模式均有穩(wěn)定共振頻率，與仿真值存在微小偏差；機械輸出上，彎彎復合振動最大空載速度297.05mm/s，縱振模式（60°夾角）最大空載速度394.96mm/s，兩種模式30N負載下均有穩(wěn)定輸出；閉環(huán)控制中，縱振模式響應時間≤0.3s、穩(wěn)態(tài)誤差<5%，彎彎復合振動模式響應時間≤0.2s、穩(wěn)態(tài)誤差<3%，驗證了電機雙自由度運動及驅(qū)動機械臂的可行性。

產(chǎn)品推薦：ATA-4051C高壓功率放大器

圖：ATA-4051C高壓功率放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇