CN117706355A - 一种微型压电环形马达测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种微型压电环形马达测试装置，属于微型压电执行器领域，包括环形马达驱动模块、环形马达定子调节模块、转子预压力及负载调节模块、环形马达转速测量模块。驱动模块产生的高频电压信号输入至环形马达定子，定子通过逆压电效应产生驱动行波，带动与之贴合的转子转动；通过调节模块使定子中心轴和转子中心轴重合，通过预压力及负载调节模块精准调节定子预压力并对其施加负载；通过转速测量模块实时精准采集转子性能参数并在上位机中分析和实时监测。本装置避免测试过程中由于环形马达定子和转子偏心产生的测试偏差和预压力不适配产生的测试偏差，提高测试准确性，同时测试过程中涉及的相关测试变量(负载、预压力、转子材质等)易于调节，使得测试效率有极大提升。

Description

一种微型压电环形马达测试装置及使用方法

技术领域

本发明属于微型压电执行器领域，具体涉及一种微型压电环形马达测试装置及使用方法。

背景技术

压电微执行器是一种采用压电材料逆压电效应将电能转换为机械能的器件，激发定子在特定频段内的超声振动，在驱动足处形成椭圆运动，最终通过接触摩擦将振动转换为动子的驱动力。其中，压电环形马达是一种典型且极具代表性的压电执行器，具有低速大扭矩驱动、响应速度快以及工作环境要求低等优点，已经成功应用到消费电子、医疗器械、微纳定位驱动等领域。

压电环形马达性能输出的精准测量对于评估及优化压电环形马达性能有着极大的作用，其中环形马达的预压力大小、定转子的中心轴位置等因素对环形马达的性能输出存在较大影响。目前对于压电环形马达的测试多采用转子自身重力作为预压力的方法，需制作并更换不同重量的转子来达到调节预压力的目的，此方法需要频繁更换转子，操作繁琐且容易对定子造成损伤，难以实现长期稳定的精准测量。此外，测试过程中定转子中心经常存在不重合的问题。以上问题都会影响环形马达输出性能的精准测量。

发明内容

为解决测试过程中出现的预压力调节不便和定转子中心不重合的问题，本发明提出一种微型压电环形马达测试装置。利用定子调节位移台调节定子位置，使得定子中心和转子中心重合，解决测试过程中的定转子中心偏心问题。利用弹簧施加预压力，方便计算且便于调节，在测试过程中通过多次改变预压力数值获得最佳的预压力。通过更换不同重量的负载，使得测试过程中定子输出转矩易于调节，同时环形马达转子在测试过程中无需拆卸，避免多次拆卸带来的器件损伤。利用高精度速度传感器配合采集模块采集转子测试过程中的转速等数据，实时传输至上位机并进行数据分析。本发明的微型压电环形马达测试装置，测量精度高、测试变量(负载、预压力、转子材质等)便于调节，在提升测试效率的同时又避免了多次拆卸对压电马达器件的损伤。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种微型压电环形马达的测试装置，包括环形马达驱动模块、环形马达定子调节模块、环形马达预压力及负载调节模块、环形马达转速测量模块共四个部分。其中环形马达定子调节模块和环形马达预压力及负载调节模块通过螺钉可靠连接在基板上。

所述的环形马达驱动模块包括驱动电压发生器1、驱动电压放大器2。所述驱动电压发生器1用于控制产生环形马达定子5所需驱动控制信号的频率、波形、相位；驱动电压放大器2用于将驱动电压发生器1产生的高频交流驱动控制信号进行放大，最终将放大后的驱动控制信号输出至环形马达定子5。

所述的环形马达定子调节模块包括定子调节双轴位移台3、定子固定夹具4以及环形马达定子5。所述的定子调节双轴位移台3包括T型连接块和两组位移台，其中T型连接块倒置放置包括水平面和中部垂直面，其中一组位移台固定在连接块水平面下方且位于基板16表面，能够在水平方向进行位置调整，第二组位移台固定在连接块垂直面的侧面，能够在垂直方向进行位置调整。所述定子固定夹具4连接块垂直面上的位移台连接；定子固定夹具4主体为“几”字形矩形板，矩形板凸出平面中央放置圆柱体(圆柱体轴向水平放置)，圆柱体顶端开螺纹孔，环形马达定子5通过螺钉连接固定在圆柱体顶端；通过定子调节双轴位移台3的两个位移台改变定子固定夹具4的位置，进而调整固定在定子固定夹具4上环形马达定子5的位置。

所述的转子预压力及负载调节模块包括预压力调节位移台6、支撑台7、支撑块8、施力弹簧9、中心轴10、支撑轴11、转子12、轴承13、柔性绳索14、负载架15。所述预压力调节位移台6包括底板、移动平台、锁紧旋钮，其中底板通过螺钉固定在基板16上，锁紧旋钮位于底板外侧，移动平台上四个角处开有螺纹孔。所述T型支撑台7通过螺钉连接固定在预压力调节位移台6的移动平面上，支撑台7顶端开通孔。所述支撑轴11包括四根，其一端固定在支撑块8中，另一端穿过支撑台7顶端通孔，并在支撑块8与支撑台7之间的四根支撑轴11上分别套接四根施力弹簧9。所述中心轴10穿过支撑台7、支撑块8，与支撑块8保持固定，中心轴10设于四根支撑轴11围成的空间中部。所述转子12套接在中心轴10前端，并预留合适的距离，内部有凹槽结构，通过调节定子调节双轴位移台3使环形马达定子5套接在中心轴10前端上，使转子12与环形马达定子5相接触，并保证二者的中心轴保持在一条直线上。所述轴承13外圈套在转子12凹槽内，轴承13内圈套在中心轴10上，均为过盈配合。所述负载架15通过柔性绳索14固定在转子12外侧壁，提供重力负载。通过调节预压力调节位移台6的位置改变施力弹簧9的压缩量，从而改变转子12施加在环形马达定子5上的预压力。

所述的环形马达转速测量模块包括传感器磁条17、转速传感器18、固定夹具19、转速采集器20以及PC上位机21。所述传感器磁条17固定在转子12外侧壁，转速传感器18通过固定夹具19固定在基板16上，转速传感器18的轴心垂直于转子12的转动中心并保持合适距离，即转速传感器18的探头位置至与传感器磁条17之间保持合适距离。所述转速传感器18与转速采集器20相连，转速采集器20与PC上位机21相连，转速传感器18感知的转速数据通过通讯接口传输至PC上位机21进行显示和保存并通过数据处理获得环形马达定子相应的加速度、转角等相关参数信息。所述转速采集器20包括采集电路与传输接口，传输接口包括与传感器之间的通讯接口以及信号输出接口，通过传输接口将整个装置电路相连通；所述的采集电路包括供电模块a、测量模块b、数据处理模块c和信号输出模块d。

所述的环形马达定子5连接固定在定子固定夹具4上，通过调节定子位置调节双轴位移台3使定子中心和转子中心重合，调节预压力调节位移台5改变转子12施加在定子上的预压力，通过驱动电压发生器1和驱动电压放大器2向定子输入高频驱动电压信号，调节负载架15重量改变马达负载，转速传感器18测量转子12转速并上传至PC上位机21，PC上位机21显示并保存数据。

进一步的，所述转速传感器18的探头位置至与传感器磁条17间距为3～8mm处。

进一步的，所述的驱动电压发生器1的正弦波频率输出范围为1μHz-20MHz，输出电压峰峰值为20V。

进一步的，所述的驱动电压放大器2工作频率为1kHz-500kHz，工作电压0-300V，工作电流＜0.2A。

进一步的，所述的定子调节双轴位移台3的行程＞10mm，灵敏度≤2μm，运动平行度≤10μm，直线度≤3μm。所述的预压力调节位移台6的行程＞10mm，灵敏度≤2μm，运动平行度≤10μm，直线度≤3μm。

进一步的，所述的转速传感器18，开关频率为2Hz-10KHz，检测距离为0.3-2mm。

进一步的，所述的转子12内径为4mm，外径7mm，材质分别为铝合金、铜和钛合金。

进一步的，所述的定子调节双轴位移台3中的位移台与预压力调节位移台6结构相同，为标准件，均包括底板、移动平台、锁紧旋钮，通过底板与基板16表面固定连接，通过动平台调整到合适位置后，由锁紧旋钮进行位置固定。

一种微型压电环形马达的测试装置的使用方法，包括以下步骤：

1)环形马达定子预压力及负载调节：

将待测试的环形马达定子5通过螺钉固定安装到定子固定夹具4上，调节定子调节双轴位移台3的调距螺杆改变定子固定夹具4的位置，从而改变环形马达定子5的位置，使环形马达定子5中心与转子12中心重合。

更换合适材质的转子12，并将其安装在中心轴10前端，负载架15中加入本次测试中需要使用的负载。调节预压力调节位移台6的螺杆向环形马达定子5方向移动转子12，使转子12前端和环形马达定子5刚好接触。根据胡克定律，计算出支撑轴11上施力弹簧9的压缩量，调节预压力调节位移台6螺杆进给量，使安装在位移台上的支撑台7继续移动，压缩支撑台7与支撑块8间的施力弹簧9，通过转子12向环形马达定子5施加预压力。

2)环形马达激励电压信号的产生及输出：

驱动电压发生器1调节频率至预设频率，电压峰峰值设定为20V，波形设置为正弦波，输出驱动电压至驱动电压放大器2。调节驱动电压放大器2放大倍数，调节电压幅值为30V，输出该驱动控制信号至环形马达定子5。

3)环形马达性能数据采集及数据分析：

将传感器磁条17粘贴在转子12外侧壁，调整转速传感器18的探头位置至与传感器磁条17间距5mm处，转速传感器18感知的数据通过通讯接口传输至PC上位机21，PC上位机21计算并显示转速、加速度等运动数据，最终保存数据。

本发明的有益效果为：

(1)本装置由于通过多个位移调节装置保证转子所在的中心轴和定子所在的中心轴重合连接并保持在一条直线上，所以能够避免目前测试过程中定转子中心不重合和预压力调节不便的问题，提高了测试精度和测试效率。

(2)装置结构简单，测试变量便于调节，提升了测试的效率。

(3)测试过程中环形马达转子无需多次拆卸，避免了测试过程中对器件产生的损伤。

附图说明

图1为微型压电环形马达测试装置的整体连接示意图。

图2为微型压电环形马达测试装置中环形马达定子调节模块和转子预压力及负载调节模块的三维结构图。

图3为微型压电环形马达测试装置中环形马达定子调节模块的局部放大图。

图4为微型压电环形马达测试装置中环形马达定子布放位置的局部放大图。

图5为转速采集器示意图。

图中：1驱动电压发生器；2驱动电压放大器；3定子调节双轴位移台；4定子固定夹具；5环形马达定子；6预压力调节位移台；7支撑台；8支撑块；9施力弹簧；10中心轴；11支撑轴；12转子；13轴承；14柔性绳索；15负载架；16基板；17传感器磁条；18转速传感器；19转速传感器固定夹具；20转速采集器；21PC上位机。

具体实施方式

结合技术方案和附图对本发明做进一步说明。

一种微型压电环形马达的测试装置，包括测试装置包括环形马达驱动模块、环形马达定子调节模块、环形马达预压力及负载调节模块、环形马达转速测量模块共四个部分。其中环形马达定子调节模块和环形马达预压力及负载调节模块通过螺钉可靠连接在基板上。所述的测试装置具体结构如下：

所述的环形马达驱动模块包括驱动电压发生器1、驱动电压放大器2。所述驱动电压发生器1用于控制产生环形马达定子5所需驱动控制信号的频率、波形、相位；驱动电压放大器2用于将驱动电压发生器1产生的高频交流驱动控制信号进行放大，最终将放大后的驱动控制信号输出至环形马达定子5。

所述的环形马达定子调节模块包括定子调节双轴位移台3、定子固定夹具4、环形马达定子5。所述定子调节双轴位移台3主体呈“L”型，通过水平面固定于基板16上，包括两个螺杆、两套传动机构、两个夹紧旋钮、L型连接块共四部分；两套传动机构固定在连接块上，分别通过螺杆与外部相连通；两个夹紧旋钮分别位于两套传动机构外侧，用于夹紧固定位移台。所述定子固定夹具4与连接块垂直面上的位移台连接，环形马达定子5固定在定子固定夹具4端部；通过定子调节双轴位移台3的两个螺杆改变定子固定夹具4的位置，进而调整固定在定子固定夹具4上环形马达定子5的位置。

所述的转子预压力及负载调节模块包括预压力调节位移台6、支撑台7、支撑块8、施力弹簧9、中心轴10、支撑轴11、转子12、轴承13、柔性绳索14、负载架15。所述预压力调节位移台6包括螺杆、底板、移动平台、锁紧旋钮，其中底板固定在基板16上，锁紧旋钮位于底板外侧，移动平台上四个角处开有螺纹孔。T型支撑台7固定在预压力调节位移台6的移动平面上，支撑台7顶端开通孔。所述支撑轴11包括四根，其一端固定在支撑块8中，另一端穿过支撑台7顶端通孔，并在四根支撑轴11上分别套接施力弹簧9。所述中心轴10穿过支撑台7、支撑块8，与支撑块8保持固定，中心轴10设于四根支撑轴11中间。所述转子12套接在中心轴10前端，并预留间隙，内部有凹槽结构，通过调节定子调节双轴位移台3使环形马达定子5套接在中心轴10前端上，使转子12与环形马达定子5相接触，并保证二者的中心轴保持在一条直线上。所述轴承13外圈套在转子12凹槽内，轴承13内圈套在中心轴10上，均为过盈配合。所述负载架15通过柔性绳索14固定在转子12外侧壁，提供重力负载。通过调节预压力调节位移台6的螺杆改变施力弹簧9的压缩量，从而改变转子12施加在环形马达定子5上的预压力。

所述的环形马达转速测量模块包括传感器磁条17、转速传感器18、固定夹具19、转速采集器20、PC上位机21。所述传感器磁条17固定在转子12外侧壁，转速传感器18通过固定夹具19固定在基板16上，转速传感器18的轴心垂直于转子12的转动中心并保持合适距离。所述转速传感器18与转速采集器20相连，转速采集器20与PC上位机21相连，转速传感器18感知的转速数据通过通讯接口传输至PC上位机21进行显示和保存并通过数据处理获得环形马达定子相应的参数信息。

所述的环形马达定子5通过螺钉连接固定在定子固定夹具4上，通过调节定子位置调节双轴位移台3的两个调距螺杆使定子中心和转子中心重合，调节预压力调节位移台5调距螺杆改变转子12施加在定子上的预压力，通过驱动电压发生器1和驱动电压放大器2向定子输入高频驱动电压信号，调节负载架15重量改变马达负载，转速传感器18测量转子12转速并上传至PC上位机21，PC上位机21显示并保存数据。

实施例的具体实施步骤如下：

1)环形马达定子预压力及负载调节：

将待测试的环形马达定子5通过螺钉固定安装到定子固定夹具4上，调节定子调节双轴位移台3的调距螺杆改变定子固定夹具4的位置，从而改变环形马达定子5的位置，使环形马达定子5中心与转子12中心重合。

更换合适材质的转子12，并将其安装在中心轴10前端，负载架15中加入本次测试中需要使用的负载。调节预压力调节位移台6的螺杆向环形马达定子5方向移动转子12，使转子12前端和环形马达定子5刚好接触。根据胡克定律，计算出支撑轴11上施力弹簧9的压缩量，调节预压力调节位移台6螺杆进给量，使安装在位移台上的支撑台7继续移动，压缩支撑台7与支撑块8间的施力弹簧9，通过转子12向环形马达定子5施加预压力。

2)环形马达激励电压信号的产生及输出：

驱动电压发生器1调节频率至400Khz，电压峰峰值设定为20V，波形设置为正弦波，输出驱动电压至驱动电压放大器2。调节驱动电压放大器2放大倍数，调节电压幅值为30V，输出该驱动控制信号至环形马达定子5。

3)环形马达性能数据采集及数据分析：

将传感器磁条17粘贴在转子12外侧壁，调整转速传感器18的探头位置至与传感器磁条17间距5mm处，转速传感器18感知的数据通过通讯接口传输至PC上位机21，PC上位机21计算并显示转速、加速度等运动数据，最终保存数据。

本实施例提供的微型压电环形马达测试装置，通过调节定子位置调节双轴位移台改变安装在位移台上的环形马达定子位置，解决环形马达定子的中心轴和转子的中心轴偏离问题。通过调节施力弹簧压缩量来调节预压力，解决预压力调节不便的问题。通过非接触式转速测量降低转速测量误差，提高测量精度。负载、预压力以及转子材质等变量便于调节，提高测试效率。本装置消除了常规测试中偏心和预压力调节不便的测量误差，测试变量便于调节，结构简单，安装方便，提高环形马达测试的准确性和效率。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种微型压电环形马达测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括环形马达驱动模块、环形马达定子调节模块、环形马达预压力及负载调节模块、环形马达转速测量模块；其中环形马达定子调节模块和环形马达预压力及负载调节模块连接在基板上；

环形马达驱动模块产生的高频电压信号输入至环形马达定子调节模块的环形马达定子，定子通过产生驱动行波带动与之贴合的转子转动；通过环形马达定子调节模块使定子中心轴和转子中心轴重合，解决定子与转子偏心的问题，通过预压力及负载调节模块精准调节定子预压力并对其施加负载；通过环形马达转速测量模块实时精准采集转子转速、加速度性能参数并在上位机中进行分析和实时监测。

2.根据权利要求1所述的一种微型压电环形马达测试装置，其特征在于，所述的测试装置具体结构如下：

所述的环形马达驱动模块包括驱动电压发生器(1)、驱动电压放大器(2)；所述驱动电压发生器(1)通过驱动电压放大器(2)与环形马达定子(5)连接；

所述的环形马达定子调节模块包括定子调节双轴位移台(3)、定子固定夹具(4)、环形马达定子(5)；所述的定子调节双轴位移台(3)包括T型连接块和两组位移台，T型连接块包括水平面和垂直面，第一组位移台固定在其水平面下方且位于基板(16)表面，能够在水平方向进行位置调整，第二组位移台固定在垂直面上能够在垂直方向进行位置调整；所述定子固定夹具(4)与连接块垂直面上的位移台连接，环形马达定子(5)连接固定在定子固定夹具(4)上；通过定子调节双轴位移台(3)的两个位移台改变定子固定夹具(4)的位置，进而调整环形马达定子(5)的位置；

所述的转子预压力及负载调节模块包括预压力调节位移(6)、支撑台(7)、支支撑块(8)、施力弹簧(9)、中心轴(10)、支撑轴(11)、转子(12)、轴承(13)、柔性绳索(14)、负载架(15)；所述预压力调节位移(6)固定在基板(16)上；T型支撑台(7)固定在预压力调节位移(6)的移动平面上，支撑台(7)顶端开通孔；所述支撑轴(11)包括四根，其一端固定在支支撑块(8)中，另一端穿过支撑台(7)顶端通孔，并在四根支撑轴(11)上分别套接施力弹簧(9)；所述中心轴(10)穿过支撑台(7)、支支撑块(8)，与支支撑块(8)保持固定，中心轴(10)设于四根支撑轴(11)中间；所述转子(12)套接在中心轴(10)前端，并预留间隙，内部有凹槽结构，通过调节定子调节双轴位移台(3)使环形马达定子(5)套接在中心轴(10)前端上，使转子(12)与环形马达定子(5)相接触，并保证二者的中心轴保持在一条直线上；所述轴承(13)外圈套在转子(12)凹槽内，轴承(13)内圈套在中心轴(10)上，均为过盈配合；所述负载架(15)通过柔性绳索(14)固定在转子(12)外侧壁，提供重力负载；通过调节预压力调节位移(6)改变施力弹簧(9)的压缩量，从而改变转子(12)施加在环形马达定子(5)上的预压力；

所述的环形马达转速测量模块包括传感器磁条(17)、转速传感器(18)、固定夹具(19)、PC上位机(21)；所述传感器磁条(17)固定在转子(12)外侧壁，转速传感器(18)通过固定夹具(19)固定在基板(16)上，转速传感器(18)的轴心垂直于转子(12)的转动中心并保持合适距离；所述转速传感器(18)与PC上位机(21)连接。

3.根据权利要求2所述的一种微型压电环形马达测试装置，其特征在于，所述转速传感器(18)的探头位置至与传感器磁条(17)间距为3～8mm处。

4.根据权利要求2所述的一种微型压电环形马达测试装置，其特征在于，所述的定子调节双轴位移台(3)的行程＞10mm，灵敏度≤2μm，运动平行度≤10μm，直线度≤3μm；所述的预压力调节位移(6)的行程＞10mm，灵敏度≤2μm，运动平行度≤10μm，直线度≤3μm。

5.根据权利要求2所述的一种微型压电环形马达测试装置，其特征在于，所述的转速传感器(18)，开关频率为2Hz-10KHz，检测距离为0.3-2mm。

6.一种权利要求1-5任一所述的微型压电环形马达的测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)环形马达定子预压力及负载调节：

将待测试的环形马达定子(5)固定安装到定子固定夹具(4)上，调节定子调节双轴位移台(3)改变定子固定夹具(4)的位置，进而改变环形马达定子(5)的位置，使环形马达定子(5)中心与转子(12)中心重合；

将转子(12)安装在中心轴(10)前端，负载架(15)中加入需要使用的负载；调节预压力调节位移(6)向环形马达定子(5)方向移动转子(12)，使转子(12)前端和环形马达定子(5)刚好接触；计算出支撑轴(11)上施力弹簧(9)的压缩量，调节预压力调节位移(6)使支撑台(7)继续移动，压缩支撑台(7)与支支撑块(8)间的施力弹簧(9)，通过转子(12)向环形马达定子(5)施加预压力；

2)环形马达激励电压信号的产生及输出：

驱动电压发生器(1)调节频率至预设频率，输出驱动电压至驱动电压放大器(2)；调节驱动电压放大器(2)放大倍数，输出该驱动控制信号至环形马达定子(5)；

3)环形马达性能数据采集及数据分析：

将传感器磁条(17)粘贴在转子(12)外侧壁，调整转速传感器(18)的探头位置至与传感器磁条(17)间距合适位置处，转速传感器(18)感知的数据通过通讯接口传输至PC上位机(21)，PC上位机(21)计算并显示运动数据。