第五章电机样机输出特实验测试与分析.doc
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1、7cbbb82431465224eb7c4606f4d07c16.pdf与分析第五章 电机样机输出特性实验测试与分析根据前面的几章的理论和设计思路,设计并制作了一台三定子的纵弯复合型旋转超声波电机样机,本章主要是介绍样机的驱动试验,测试样机的输出特性,一方面用实际的驱动实验证明前面的理论的正确性,另一方面测试其输出特性以进一步深入分析该类型超声波电机的特点。5.1电机样机的制作与安装电机定子采用兰杰文振子结构。为了保证兰杰文振子获得优良的性能,就必须保证前后盖板与压电陶瓷片之间保持良好的机械接触与导电性,这需要对结合面的结构、表面平行度和不平度及螺栓施加的预紧力等方面提出较高要求,其中结合面的
2、结构和螺栓施加的预紧力对电机的输出影响最大。如果结构设计不合理,当使用螺栓加预紧力后,就可能使压电陶瓷片的受力不均匀,这对压电片的装配和使用以及电机的性能产生很大的影响。在装配兰杰文振子过程中,由于螺栓施加的预紧力对电机会产生巨大影响,如何确定预紧力的大小以使兰杰文振子的输出性能达到最佳,是要考虑的另一个问题。由于四片压电陶瓷片按极性相反两两叠合成两组,三个定子的压电片摆放要一致,装配之后要确保三个定子驱动转子都顺时针或者逆时针运动。对于电机的转子,要保证与定子的良好接触,首先转子的接触面的表面粗糙度要达到要求,当定子和转子的粗糙度很差,或者三个定子装配之后高度不一,则会导致预压力在定子上分布
3、不均匀,电机运转不平稳并且伴有很大的噪声,严重情况会导致电机无法运转。实验研究表明在设计、制造、安装过程中,为了增加压电陶瓷的激振效能,同时保证压电陶瓷能各激励出驱动振子所需要的模态,需要注意以下几个要点:(1) 应当尽可能使结合面有较高的尺寸,位置精度和平面的不平度,以保证压电陶瓷能够激励出驱动振子所需要的模态。(2)驱动振子的螺纹应采用细牙螺纹。细牙螺纹的自锁性能要比粗牙要好,可以用于变载、振动及冲击载荷的。超声波电机螺栓受到的是高频振动载荷,因此采用细牙螺纹联接以确保电机性能的稳定性。(3) 因螺栓紧固而产生的接触面上的静态接触应力应尽可能地均匀。避免压电片受力不均匀的情况。(4) 最佳
4、预紧力的确定。安装时,螺栓的预紧力根据需要来施加,一般预紧力越大,压电陶瓷元件的输出振动越容易,得到的振动峰值越大,但不能超过压电陶瓷的受力极限。另外为了在调节预紧力的时候有微调效果,紧固螺栓应尽量选用细牙的螺栓。根据第四章的理论和以上要点,制作、组装了一台三定子纵弯复合模式旋转超声波电机。其实物照片图如图6-1。图6-1 设计制作的超声波电机样机照片图5.2电机驱动电源介绍本次设计的样机只需要一路即可驱动其工作,当然如果有两路分别加载在纵振动与弯曲振动陶瓷片上,就可以通过调节两路的相位从而控制电机的正向和反向旋转。因此本次样机的测试实验使用的是我们实验室自行设计与制作的超声波驱动电源,其实物
5、照片图如图6-2所示。图6-2 实验使用的驱动电源实物照片图该电源为推挽逆变式超声波电源,推挽型开关电路是相比较超声波电机常用的驱动电路之一。如图6-3为推挽变换器的基本电路。其中Vi1和Vi2为两路信号输入,相位相差180度,输入为方波信号,Q1和Q2为MOS开关管, T1为变压器,起电压放大的作用。电路工作在电流连续模式,两个开关管Q1,Q2交替导通,在变压器T1原边的W1和W2的分别形成相位相反的交流电压。方波信号由51单片机产生。该电源的参数为:1、 频率15-100KHz连续可调,数码管跟踪显示当前输出频率,精确到小数点后两位;图6-3推挽逆变式电路基本原理图2、 可以输出相位差为9
6、0的两路高频信号,因此可以实现对电机的正反转控制;3、 输入电压为5-15V直流电,输出电压有效值120V,输出功率大于25W。5.3样机输出特性曲线图6-3实验测试平台照片图由于该电机有三个定子在图6-1可以看到共用了12片陶瓷片引出导线15根,因此样机在装配完成之后要仔细检查陶瓷片摆放位置是否都正确,是否有短路,检查无误就可以在图6-2所示的实验台进行驱动实验了。该试验台由示波器、直流电源、超声波电机电源和电机构成,直流电源提供0-30V的直流电压,超声波电机电源输出频率15100KHz的交变信号到超声波电机上,示波器用来监视电源输出的信号的波型、频率、峰峰值等参数。电机在运行一段时间,定
7、转子经过磨合达到较佳运行状态之后就进行输出特性的测试,从而找到电机运行的最佳工作点,即使电机运行状态最好的预紧力、预压力、频率、等参数。5.3.1激励频率转速输出特性超声波电机的超声振动系统的设计是基于共振原理设计的,所以对于这样的一个振动系统而言,当激励频率发生变化时,它的振动状态也会发生改变,必然导致输出特性(速度和力矩)的变化。当振动系统达到共振时,其振幅会达到最大值,所以输出的转速也会达到最大值,反之根据频率-转速曲线图就可确定该系统的实际共振频率(谐振频率)。通过实验来测试频率-转速特性,可以获得该系统输出转速随实际的工作频率的变化趋势以及电机的共振频率。对于样机在电源输入电压12V
8、、预压力为加1491g(包含转子自重176g)的铁块的条件下(即14.6N),测试了样机的激励频率-转速特性。实验测试曲线如图6-3所示。图6-3样机的激励频率-转速曲线图从曲线可以看出:电机的谐振频率为25.82kHz附近,此时转速最大。输入信号频率偏离谐振频率越大,转速越低,近似的成正态分布。从曲线还可以看出设计频率与实际测试的系统共振频率有一定的误差,这主要是由于加工的精度、装配的精度达不到设计的要求,三个定子用螺栓紧固在同一个底座上,底座的引入,以及结构的变化也会影响电机实际的谐振频率,预紧力的大小对电机谐振频率也有很大的影响,另外设计所采用的计算方法也有一定的误差。5.3.2 驱动电
9、压-转速特性 超声波电机是利用压电陶瓷来实现换能的,根据压电陶瓷的逆压电效应可知,当外加电场的电压发生变化时其形变也会发生变化,导致整个振动系统的振幅发生改变,从而影响其输出特性。该项实验是在频率为25.82kHz,在预压力为14.6N的条件下测试电机的输出转速随输入电压变化的情况。通过电压调节控制电机输出转速的变化,测得的超声波电机输出转速和电源输入电压之间的关系曲线如图6-4所示。图6-4 样机的驱动电压-转速特性曲线图由图可见,电机的输出转速随驱动电压变化趋势有明显的近似线性关系。驱动电压增大,输出的转速随之增大。根据压电陶瓷材料的性质,由压电系数可知,当加在它上面的电压增大时,其变形也
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