高壓功率放大器在超聲電機性能測試與閉環實驗中的應用
實驗名稱：兩自由度超聲電機性能測試與閉環控制實驗
研究方向：壓電驅動技術，兩自由度超聲電機的設計、機電耦合建模、性能測試及閉環控制研究
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計合理性，實現沿機械臂運行（直線運動）和驅動機械臂關節旋轉（旋轉運動）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，為機電耦合數學模型提供實驗驗證。搭建閉環控制系統，通過PID控制實現超聲電機對速度階躍信號的精準跟蹤，奠定壓電驅動平臺精密定位的技術基礎。驗證超聲電機驅動機械臂的可行性，為工業機器人向高速、高精度、輕量化方向發展提供理論與技術支撐。
測試設備：超聲電機、信號發生器、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超聲電機驅動控制示意圖
圖2超聲電機驅動控制實物圖
實驗過程：先加工組裝兩自由度超聲電機樣機并預緊，搭建基礎性能測試系統與Quanser閉環控制系統；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閉環控制并記錄數據。
實驗結果：阻抗測試顯示彎彎復合振動與縱振模式均有穩定共振頻率，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負載下均有穩定輸出；閉環控制中，縱振模式響應時間≤0.3s、穩態誤差<5%，彎彎復合振動模式響應時間≤0.2s、穩態誤差<3%，驗證了電機雙自由度運動及驅動機械臂的可行性。
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