電壓放大器賦能壓電精密運(yùn)動(dòng)：基于超高精度位移平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于振動(dòng)濾波器的高精度壓電位移平臺(tái)研究的實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：振動(dòng)濾波器在壓電馬達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>本研究旨在深入探究壓電馬達(dá)中質(zhì)量和剛度分布對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的影響機(jī)制，在壓電馬達(dá)領(lǐng)域提出振動(dòng)質(zhì)量隔離思想，通過(guò)引入振動(dòng)濾波器可控地調(diào)整壓電馬達(dá)的質(zhì)量和剛度分布，以改善駐波型、行波型、慣性沖擊型壓電馬達(dá)及壓電位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，提高運(yùn)行效率、解決諧振點(diǎn)漂移、增強(qiáng)重載能力等問(wèn)題，并從理論或?qū)嶒?yàn)角度闡述基于振動(dòng)濾波器的振動(dòng)質(zhì)量隔離方法的工作機(jī)制。

　　測(cè)試設(shè)備：ATA-2168高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、激光位移傳感器、自制渦流位移傳感器等。

圖1：實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖2：柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于振動(dòng)濾波器的高精度壓電位移平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，首先設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，將原滑塊分為主動(dòng)滑塊與被動(dòng)滑塊并通過(guò)柔性鉸鏈連接，構(gòu)成基于振動(dòng)濾波器的移動(dòng)臺(tái)，另一組為參考移動(dòng)臺(tái)，兩者均放置于V形槽導(dǎo)軌上，通過(guò)銅-石墨直線軸承保證壓電致動(dòng)器沿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，利用可調(diào)整底座調(diào)節(jié)預(yù)緊彈簧變形以優(yōu)化預(yù)緊力。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由信號(hào)發(fā)生器生成階躍、方波等驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)功率放大器推動(dòng)后作用于壓電致動(dòng)器，通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓，采用激光位移傳感器測(cè)量移動(dòng)臺(tái)位移，后期納米級(jí)定位測(cè)試改用自制渦流位移傳感器。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形（如方波、鋸齒波、尖脈沖波）和摩擦力大小，記錄移動(dòng)臺(tái)階躍響應(yīng)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性等數(shù)據(jù)，結(jié)合四階Runge-Kutta法求解動(dòng)力學(xué)模型，分析振動(dòng)濾波器對(duì)平臺(tái)速度、重載能力及定位精度的影響。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：移動(dòng)臺(tái)的階躍響應(yīng)

圖4：移動(dòng)臺(tái)階躍響應(yīng)與驅(qū)動(dòng)電樂(lè)的關(guān)系

圖5：移動(dòng)臺(tái)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性

　　基于振動(dòng)濾波器的高精度壓電位移平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)在繼承參考平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、納米級(jí)定位能力（10nm量級(jí)）等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，速度和重載能力顯著提升：階躍響應(yīng)中最終位移達(dá)6.5μm，約為參考平臺(tái)的4倍，拖動(dòng)大質(zhì)量負(fù)載時(shí)移動(dòng)效率提升明顯；連續(xù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，方波驅(qū)動(dòng)下速度更快，且通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形（如尖脈沖波）可減少位移過(guò)沖；動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算驗(yàn)證，1.5倍摩擦力下平臺(tái)正向位移增大，柔性鉸鏈設(shè)計(jì)雖降低整體剛度但通過(guò)優(yōu)化可平衡剛度與隔離效果，實(shí)現(xiàn)了在不影響納米級(jí)定位精度的前提下，有效提升平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的目標(biāo)。

　　放大器在該實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮的效能：在基于振動(dòng)濾波器的高精度壓電位移平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，功率放大器發(fā)揮了關(guān)鍵效能：其將信號(hào)發(fā)生器生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，使低功率電信號(hào)轉(zhuǎn)化為足以驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器的高功率信號(hào)，確保壓電堆能產(chǎn)生足夠的機(jī)械位移以推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)穩(wěn)定放大階躍、方波等驅(qū)動(dòng)信號(hào)，放大器保障了壓電致動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確響應(yīng)，進(jìn)而使平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了速度和重載能力的提升，為驗(yàn)證振動(dòng)濾波器對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的改善提供了可靠的功率支撐。

　　安泰ATA-2168高壓放大器：

圖：ATA-2168高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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