實驗名稱：電機特性實驗研究

　　研究目的：介紹了對稱式雙足壓電直線電機的結構及其驅動機理，以此爲基礎建立了電機的運動模型，詳細討論了多種驅動信號下，電機所能實現的多種工作模式，對模型進行了分析。對定子形式進行優化設計，提出了三種不同的電機形式，分別對電機進行理論模型分析，運用有限元進行仿真，對電機進行整體結構設計並制作樣機，進行性能實驗研究。

　　測試設備：功率放大器、信號發生器、示波器、壓電作動器、激光位移傳感器等

　　圖：實驗裝置圖

　　實驗過程：

　　一、連續作動模式實驗

　　在四組疊層壓電陶瓷上施加一定相位差的對應的正弦波信號，可以使得電機驅動足做橢圓運動，通過摩擦力驅動電機導軌輸出直線運動。對于長柔鉸壓電電機，調節輸入電壓以及頻率可以得到下圖所示的電機速度特性曲線。

　　圖：連續作動模式不同頻率下長柔鉸電機電壓-速度關系曲線

　　頻率與電壓增高時，電機運動速度近似成線性增長。當輸入電壓爲100V、頻率爲100Hz時，電機運動速度爲446.4μm/s。在這種模式下，電機的運動較爲平穩，噪音較小，其不足在于速度較小。

　　二、交替步進作動模式實驗

　　在疊層壓電陶瓷上施加一定規律的方波三角波信號時，可以實現電機驅動足按矩形軌迹運動，從而通過摩擦力驅動導軌直線運動。相對于連續作動模式，該種模式下電機運動速度更快。

　　圖：對稱原理樣機步進模式結果圖

　　上圖（a）所示爲對稱原理樣機在不同頻率下的電壓-速度關系圖，電機交替步進模式下工作頻帶爲10Hz到120Hz，工作電壓範圍爲80-120V,電機運動速度隨著輸入電壓的增長呈線性增長。當輸入信號頻率爲120Hz，電壓爲120V時，電機速度爲670.22μm/s。如上圖（b）所示爲其在輸入信號電壓100V下頻率-速度關系圖，電機速度隨頻率增長表現出一定的線性，在某些點出現了一定的誤差。當頻率增大到120Hz以上時，由于受到第二章提到的疊層壓電陶瓷的遲滯效應影響，無法較好的控制雙驅動足的運動時序，從而導致了電機無法正常工作。

　　三、單步作動模式實驗（分辨率測試）

　　圖：對稱原理樣機單步降頻分辨率測試結果

　　如上圖所示爲對稱原理樣機的步距測試實驗結果，在輸入信號電壓爲100V，頻率依次爲100Hz，50Hz，10Hz和1Hz時，電機單步步距分別爲3.61μm，3.57μm，0.65μm和0.35μm。理論分析中，電機步距不隨頻率變化而變化，而實驗結果中頻率降低時，步距卻有了明顯的減小。從100Hz到50Hz時，其誤差較�。�主要來源于測試誤差以及動子測試段表面形態的微小差異；而從50Hz到10Hz以及1Hz時，誤差增加，從圖線中可以得知在低頻狀態下，動子的回撤現象較爲明顯，這是由于定子的雙驅動足與動子的接觸狀態有一定的差異，在運動中不能做到完美的接觸與分離所導致的。動子的回撤直接影響了單步步距的准確性，在頻率較高的情況下，動子的回撤現象在慣性作用下有所減緩，此時的步距更能代表該電機的性能。對稱原理樣機的分辨率爲0.35μm。

　　四、負載承載實驗

　　圖：對稱原理樣機負載特性曲線

　　上圖所示爲對稱原理樣機在100Hz和200Hz時的負載實驗結果。電機速度隨負載增大而線性減小，當輸入信號電壓爲100V時，最大負載力約爲3N。由于非共振式壓電直線電機依靠摩擦力驅動，並且工作在較低的頻率，所以其負載力普遍較小。

　　實驗結果：

　　實驗可以得到結論，對稱非共振式壓電直線電機可以實現連續作動模式、交替步進模式以及單步作動模式三種不同的工作模式下的運動，可以適用于不同的工作場合，多工作模式的結合可以在同一台電機中實現大行程與高分辨率運動的統一。

　　功率放大器推薦：ATA-3080

圖：ATA-3080功率放大器指標參數

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