馮 森， 時運來， 張 軍， 婁成樹

(南京航空航天大學機械結(jié)構(gòu)力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

引 言

直線超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用或氣體(液體)的耦合作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子的宏觀運動，直接推動負載[1]。與旋轉(zhuǎn)超聲電機利用滾珠絲杠、繩帶等輔助機構(gòu)產(chǎn)生直線運動不同，直線超聲電機可以直接輸出直線運動和力，因此具有很高的定位精度；除此之外，直線超聲電機還具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、行程大、響應(yīng)速度快、不受磁場干擾及環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，目前已應(yīng)用在精密定位系統(tǒng)、手機和照相機、生物醫(yī)學工程和航空航天等領(lǐng)域[2-4]。

機械特性是表征電機工作的最重要特性，研究電機機械特性對滿足生產(chǎn)機械工藝要求，充分使用電動機功率和合理地設(shè)計電力拖動控制及調(diào)速系統(tǒng)有著重要的意義。直線超聲電機機械特性主要是指輸出力與速度的關(guān)系及輸出力與功率之間的關(guān)系；瞬態(tài)特性是指啟動和制動過程中的瞬時位置以及啟動時間和制動時間。國內(nèi)外學者在直線超聲電機特性測試系統(tǒng)設(shè)計方面做了大量工作[5-13]。早期，通過采用米尺測量電機的位移、秒表計時獲得電機的運行速度，拉力秤測量電機推力得到電機的速度-推力曲線，該種測量方法有較大誤差[5]。通過吊砝碼產(chǎn)生的重力施加載荷，結(jié)合光電編碼器測試電機位移，可以得到電機的速度-推力曲線，但通過吊砝碼測量電機機械特性不能連續(xù)施加載荷，只能通過測得的離散數(shù)據(jù)點擬合電機的機械特性曲線，但擬合曲線具有一定的誤差，故該種方法的測量精度不高[6-8]。2006年，張鐵民等[9]設(shè)計了一種以工控機為控制主機，PCL-818L為I/O接口，光柵尺為檢測元件，調(diào)頻電路為驅(qū)動電源的直線超聲電機測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電機的瞬態(tài)特性的測試。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器在工程測試方面得到了廣泛應(yīng)用?；谔摂M儀器和數(shù)據(jù)采集卡或基于虛擬儀器與單片機的直線超聲電機機械特性測試和瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)被研制出來，與其他系統(tǒng)相比基于虛擬儀器的測試方法具有性能高、功能強、靈活性好、開發(fā)簡單和使用方便等特點[10-13]。

上述所研制出的直線超聲電機特性測試系統(tǒng)，功能比較單一，只能針對某一兩個參數(shù)進行測試，不能進行多參數(shù)測試?；诖?，筆者設(shè)計了一種直線超聲電機特性測試系統(tǒng)，開發(fā)了一種新的測試機構(gòu)，可以實現(xiàn)對電機瞬態(tài)特性以及正反向運動時的機械特性的測試。利用所設(shè)計的測試系統(tǒng)對蝶形直線超聲電機進行了測試，驗證了測試系統(tǒng)的可靠性與可行性。

1 測試系統(tǒng)硬件組成

圖1為直線超聲電機特性測試系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)主要由3部分組成：電機驅(qū)動模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和測試控制及數(shù)據(jù)處理模塊。

圖1 直線超聲電機特性測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the testing system of linear ultrasonic motor

電機驅(qū)動模塊由以STM32F429微控制器為核心的可調(diào)頻的信號發(fā)生器和兩相功率放大器組成的驅(qū)動單元、觸發(fā)單元和采集單元組成；數(shù)據(jù)采集模塊由線性光電編碼器和力學傳感器與驅(qū)動部分的數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)采集卡組成。光電編碼器將位移信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，并通過電機驅(qū)動部分的計數(shù)器單元將數(shù)據(jù)輸入到PC機中，力信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理被采集卡采集傳送給PC機；測試控制及數(shù)據(jù)處理模塊為PC主機，通過串口向電機驅(qū)動部分發(fā)送驅(qū)動電壓、相位及驅(qū)動信號周期等命令，并由驅(qū)動控制器輸出驅(qū)動信號驅(qū)動電機運行。PC機分別通過數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動器中的采集單元來采集力信號和位移信號。最終，PC機對采集信號進行分析、處理和顯示。

1.1 測試機構(gòu)及操作方法

以蝶形直線超聲電機為測試對象(不拘泥于一種電機結(jié)構(gòu)，可方便更換測試電機)，設(shè)計了一種直線超聲電機特性測試機構(gòu)，如圖2所示。

圖2 直線超聲電機位移與輸出推力測試機構(gòu)Fig.2 Test mechanism for displacement and output thrust of linear ultrasonic motor

該測試機構(gòu)主要由底座、運動平臺、力傳遞裝置、傳感裝置和電機托架等組成。待測直線超聲電機安裝在電機托架上，調(diào)節(jié)電機的預(yù)壓力螺釘使電機與平臺之間有合適的預(yù)壓力；運動平臺連接擋塊，擋塊通過其上的孔套在推拉軸上，當運動平臺運動時，通過擋塊與彈簧發(fā)生作用，繼而彈簧又通過擋環(huán)把力施加在推拉軸上，推拉軸再把力傳遞給拉壓力傳感器。推拉軸的一端與壓力傳感器固連，另一端與配合件之間為間隙配合，以便于電機正反向運動時拉壓力的測量。光柵尺安裝在運動平臺下表面，線性光電編碼器讀數(shù)頭安裝在底座中。

當對電機的正向特性進行測試前，首先調(diào)整擋環(huán)1使壓縮彈簧1一端與擋塊接觸且使彈簧保持原長。當PC主機發(fā)出正向運動信號后，電機驅(qū)動控制器驅(qū)動電機開始工作，電機驅(qū)動運動平臺正向運動，平臺運動上的擋塊擠壓壓縮彈簧1使其壓縮，推拉軸的另一端與配合件之間為間隙配合，電機輸出的推力通過推拉軸傳遞到拉壓力傳感器上。隨著平臺位移的增加，彈簧變形增大，電機承受的負載力也隨之增加，從而實現(xiàn)了對電機的連續(xù)加載。在運動平臺運動的過程中，利用粘貼于平臺底部的光柵尺和嵌入在底座中的編碼器讀數(shù)頭組成的位移傳感器輸出運動平臺的位移信息。PC機通過數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動控制器中的采集單元同步采集推力信息和位移信息，經(jīng)過分析和處理繪出電機正向運動機械特性曲線。

同樣，在測電機的反向特性時，首先調(diào)整擋環(huán)2使壓縮彈簧2一端與擋塊接觸且使彈簧保持原長。在PC主機發(fā)出反向運動信號后，電機帶動運動平臺反向運動，擠壓壓縮彈簧2，由于擋環(huán)2的作用，運動平臺反向運動壓縮壓縮彈簧2的力以拉力的形式全部作用在拉壓力傳感器上。同步采集拉壓力傳感器與位移傳感器的輸出信號給PC機處理即可獲得電機的反向運動機械特性曲線。

為防止電機推力過大對測試機構(gòu)產(chǎn)生損傷，特別設(shè)置了限位開關(guān)。若電機運行超出測量行程仍未停止，則通過限位開關(guān)作用使電機停止運動。

卸去套裝在推拉軸上的壓縮彈簧，驅(qū)動電機運行單一采集位移傳感器的輸出信號給PC機處理，可以測試電機的瞬態(tài)特性。

1.2 驅(qū)動控制器設(shè)計及傳感器、采集卡的選用

1.2.1 驅(qū)動控制器設(shè)計

直線超聲電機驅(qū)動控制器提供兩路超聲頻率的高壓正弦信號來驅(qū)動直線超聲電機工作。圖3為直線超聲電機驅(qū)動控制器的電路結(jié)構(gòu)示意圖[14-15]，包括微控制器模塊、功率放大及匹配模塊、位移傳感器接口模塊、觸發(fā)接口模塊以及通訊接口模塊。

圖3 直線超聲電機驅(qū)動控制器的電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the circuit structure of linear ultrasonic motor drive controller

微控制器模塊選用基于ARM-Cortex M4內(nèi)核的STM32F429微控制器，PWM1單元和PWM2單元產(chǎn)生A相和B相方波信號，經(jīng)過功率放大及匹配模塊產(chǎn)生A相和B相高壓正弦信號驅(qū)動待控制電機。

圖4為功率放大及匹配模塊結(jié)構(gòu)框圖。該結(jié)構(gòu)由三部分組成：輸入級的半橋電路由場效應(yīng)管Q1和Q2組成，通過調(diào)節(jié)輸入到場效應(yīng)管柵極方波信號G1和G2的占空比，實現(xiàn)驅(qū)動電壓的線性調(diào)節(jié)；中間級推挽電路由功率場效應(yīng)管Q3、Q4以及變壓器等構(gòu)成，其中柵極信號G3和G4的占空比為50%，且其頻率為柵極信號G1和G2的一半，在柵極信號G3和G4的交替作用下，功率場效應(yīng)管Q3和Q4通過變壓器初級中心端交替導通，半橋電路與推挽電路之間通過電感器L連接，形成高阻抗電流通道；輸出級將變壓器放大后的驅(qū)動信號通過并聯(lián)電容器C方式實現(xiàn)功率匹配，輸出信號OUT和COM施加于電機上并驅(qū)動電機，其中COM為公共地。并聯(lián)電容的匹配方式可保證施加在電機兩端的電壓恒定。

圖4 功率放大及匹配模塊結(jié)構(gòu)框圖(單相)Fig.4 Single output of power amplifier and matching module

位移傳感器接口模塊檢測位移傳感器的輸出信號，并將位移傳感器輸出的TTL信號經(jīng)光電耦合器隔離后輸出到微控制器模塊中的采集單元計數(shù)；觸發(fā)接口模塊與數(shù)據(jù)采集卡相連，將觸發(fā)單元產(chǎn)生的觸發(fā)信號傳送給數(shù)據(jù)采集卡；通訊接口模塊負責上位機與微控制器之間的通信。

1.2.2 傳感器及數(shù)據(jù)采集卡的選用

位移傳感器采用德國NUMERIK JENA LIA20系列增量式位移傳感器，分辨率為0.2 μm，輸出3路差分信號。

力傳感器選用MIK-LCS S稱重傳感器，量程為5 kg，靈敏度為2.0±0.05 mV/V，力傳感器輸出的差分信號經(jīng)過信號變送器處理被采集卡采集。

為了提高測試系統(tǒng)的測試精度，對力傳感器及信號變送器構(gòu)成的系統(tǒng)進行標定。每隔10 N施加作用力在拉壓力傳感器上，通過萬用表測量信號變送器的輸出電壓，將得到的結(jié)果利用MATLAB進行擬合，可得作用力與變送器輸出電壓之間的關(guān)系

F=9.892U-0.004

(1)

其中：F為作用力，單位為N ；U為變送器輸出電壓，單位為V。

數(shù)據(jù)采集卡選用ADLINK公司的USB-1210采集模塊，USB-1210是一款16位高速USB 2.0數(shù)據(jù)采集模塊，含有4個模擬輸入通道，每個通道提供高達2 MS/s的同步采樣率；提供±2和±10 V的輸入電壓范圍以及支持數(shù)字和模擬觸發(fā)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理主要針對電機的速度以及輸出推力進行處理。電機速度計算采用M法[16]，即單位時間電機移動的位移，速度計算公式為

(2)

其中：S(n+1)和S(n)分別為n+1時刻與n時刻的位移；T為采樣周期。

由于在數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸中會受到設(shè)備以及其他干擾，因此需要對數(shù)據(jù)進行濾波處理。數(shù)字濾波器相比于模擬濾波器無需使用硬件實現(xiàn)，具有使用方便、可靠性高以及容易更改參數(shù)等優(yōu)點，因此選擇數(shù)字濾波器對速度信號和力信號進行濾波。

首先利用式(2)計算得到電機的速度；然后用9階均值濾波器對速度信號進行濾波，均值濾波器工作原理為以某一點鄰域內(nèi)各點的平均值代替原來的數(shù)值，鄰域大小取決于濾波器的階數(shù)。在測試電機瞬態(tài)特性時，由于電機啟動和制動時間短，速度曲線比較陡峭，若采用均值濾波，則啟動與制動部分的信息發(fā)生很大損失。因此采用分段處理的方法，穩(wěn)態(tài)時用均值濾波處理，啟動和關(guān)斷時利用曲線擬合速度信號，以消除信號中混雜的噪聲信號。

啟動和關(guān)斷時的速度采用最小二乘法進行多項式擬合，最小二乘法是一種以最小化誤差的平方和尋找最佳匹配函數(shù)的擬合方法[17]。假定電機測試所得的速度信息為(ti，vi),i=1, 2，…，m，ti為測試時間點，vi為電機對應(yīng)測試時間點測得的速度值。

設(shè)速度擬合函數(shù)P(t)為n次多項式，可表示為

(3)

則速度擬合函數(shù)和與實測速度的誤差的平方和可表示為

(4)

求系數(shù)a0，a1，…，an-1，an使得φ(a0,a1,…,an)取得最小值。

顯然φ(a0,a1,…,an-1,an) 為關(guān)于a0，a1，…，an-1，an的多元函數(shù)，上述問題即為求φ=φ(a0,a1,…,an-1,an)的極值問題。由多元函數(shù)求極值的必要條件得

(j=0,1,…,n)

(5)

化簡可得

(6)

其中：ti，vi為第i次采集的時間和速度；m為采樣點數(shù)；n為擬合的多項式階數(shù)；ak為擬合的多項式系數(shù)。

式(6)用矩陣可表示為

(7)

線性方程組(7)的系數(shù)矩陣為一對稱正定矩陣，存在唯一解，解得a0，a1，…，an-1，an，得到

(8)

對于力信號的處理，首先采用9階中值濾波器進行濾波，中值濾波可以很好地保留原信號的細節(jié)，其工作原理為以某一點鄰域內(nèi)各點的中值代替原來的數(shù)值，鄰域大小取決于濾波器的階數(shù)；然后根據(jù)式(1)將濾波后的值轉(zhuǎn)換為實際輸出力的值。

電機的輸出功率為瞬時功率，將速度與對應(yīng)的輸出推力相乘即可獲得。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 驅(qū)動控制器軟件設(shè)計

驅(qū)動控制器軟件主要實現(xiàn)電機驅(qū)動信號的生成，位移信號的采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。

為了方便對多任務(wù)的管理，提高系統(tǒng)工作效率，驅(qū)動控制器軟件選用實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)。μC/OS-Ⅲ是一個基于優(yōu)先級的可搶占式內(nèi)核[18]，對任務(wù)的個數(shù)無限制，擁有良好的實時性，因此選用μC/OS-Ⅲ進行驅(qū)動控制器軟件開發(fā)。軟件包含三個任務(wù)：電機驅(qū)動任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)以及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，分別實現(xiàn)電機驅(qū)動信號的生成，位移信號的采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5為驅(qū)動控制器程序流程圖，驅(qū)動控制器上電之后，首先對操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ進行初始化，然后創(chuàng)建開始任務(wù)，在開始任務(wù)中依次創(chuàng)建電機驅(qū)動任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)以及數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，并在每一個任務(wù)創(chuàng)建完成之后運行該任務(wù)，完成所需外設(shè)的初始化，之后數(shù)據(jù)采集任務(wù)和電機驅(qū)動任務(wù)將自身掛起，數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)等待一個事件標志組也將自身掛起，該事件標志組含有數(shù)據(jù)采集完成事件標志位和收到數(shù)據(jù)上傳指令事件標志位；然后μCOS-Ⅲ運行空閑任務(wù)，等待串口中斷；當串口接收PC機發(fā)送的電機運行方向、驅(qū)動電壓、相位、驅(qū)動信號頻率等命令后，進入中斷，解除數(shù)據(jù)采集任務(wù)的掛起，然后并發(fā)運行電機驅(qū)動任務(wù)和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，完成對數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)采集完成之后，數(shù)據(jù)采集任務(wù)將事件標志組的數(shù)據(jù)采集完成標志位置1，并將自身掛起，μC/OS-Ⅲ運行空閑任務(wù)，等待串口中斷；當串口接收PC機發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令后，進入中斷，將事件標志組的收到數(shù)據(jù)上傳指令事件標志位置1，然后運行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸，之后清零事件標志組，并等待下一次測量。

圖5 驅(qū)動控制器流程圖Fig.5 The flow chart of driver controller

電機驅(qū)動信號由高級定時器8與高級定時器1組成的PWM1單元與PWM2分別產(chǎn)生。以PWM1單元為例，高級定時器8工作在中心對齊模式，PWM波周期由定時器時鐘頻率的四分之一除以所設(shè)定的頻率得到；通道1設(shè)置成互補輸出模式，生成互補信號G1與G2，當捕獲/比較寄存器值與計數(shù)器值匹配時，通道1的波形發(fā)生翻轉(zhuǎn)，改變捕獲/比較寄存器的值生成不同占空比的PWM波信號，實現(xiàn)驅(qū)動電壓的線性控制；通道2也設(shè)置成互補輸出模式，生成互補信號G3與G4，捕獲/比較寄存器值設(shè)為0，當計數(shù)器值匹配時，通道2輸出波形翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)G3與G4的輸出頻率為G1與G2的一半；輸出通道3配置成觸發(fā)信號模式觸發(fā)高級定時器1啟動，通過改變觸發(fā)信號的延時時間，從而改變A相與B相PWM波的相位差。

位移信號的采集利用定時器進行計數(shù)得到，直線超聲電機位移與輸出推力測試機構(gòu)的測量行程為0.18 m，而位移傳感器的分辨率為0.2 μm，則位移傳感器的最大輸出脈沖數(shù)為50萬，因此選用32位定時器TIM5進行計數(shù)，將TIM5設(shè)置成編碼器模式，定時器TIM7設(shè)置成周期為5 ms的向上計數(shù)模式，同時啟動兩個定時器。當TIM7從零計數(shù)到設(shè)定值時產(chǎn)生DMA請求，DMA將TIM5的計數(shù)器值傳送到指定的儲存區(qū)域，完成一次數(shù)據(jù)采集。循環(huán)采集一定量的數(shù)據(jù)，采集過程結(jié)束。采用DMA方式快速傳送數(shù)據(jù)不需要CPU操作，可以節(jié)省CPU資源，提高其工作效率。

數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)完成位移數(shù)據(jù)向上位機的傳輸，利用串口將位移數(shù)據(jù)按字節(jié)依次傳送給上位機。

3.2 上位機軟件設(shè)計

基于微軟基礎(chǔ)類庫(microsoft foundation classes，簡稱MFC)對話框開發(fā)的上位機軟件主要實現(xiàn)采集卡和串口設(shè)置、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)收取、以及數(shù)據(jù)分析和顯示等功能。MFC是C++與Windows API的結(jié)合，用C++封裝了Windows SDK中的結(jié)構(gòu)和功能，提供了一個應(yīng)用程序框架，減少了軟件開發(fā)的工作量，提高了開發(fā)效率。

PC機軟件工作流程為：首先完成對串口和采集卡的配置，以及驅(qū)動電壓、相位及驅(qū)動信號周期等命令的發(fā)送；然后將驅(qū)動控制器和采集卡傳送的數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示以及保存。

采用Pcomm Lite串口通信軟件開發(fā)庫對串口進行設(shè)置，相比于Windows API和MSComm控件開發(fā)，具有操作簡單及傳輸速度快等優(yōu)點。

對數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)置主要包括通道的選擇與配置、觸發(fā)源以及觸發(fā)方式的選擇、是否使用雙緩沖區(qū)模式等。ADLINK提供了操作數(shù)據(jù)采集卡的函數(shù)庫USB_Dask，可以方便地對采集卡進行配置。調(diào)用UD_AI_Channel_Config函數(shù)配置通道的模擬輸入類型為差分輸入，由于信號變送器的輸出信號為單端模擬信號，因此將負差分輸入端接地。UD_AI_Trigger_Config函數(shù)配置觸發(fā)源為外部數(shù)字觸發(fā)；觸發(fā)方式為高電平門控觸發(fā)，即外部數(shù)字信號一直保持高電平，采集卡采集數(shù)據(jù)，一旦變?yōu)榈碗娖剑瑪?shù)據(jù)采集卡即時停止采集數(shù)據(jù)。雙緩沖模式適用于采樣速率較大的采樣場合，由于采集速率為200 Hz，因此采集卡不使用雙緩沖模式。UD_AI_ContRead Channel函數(shù)指定通道0以200 Hz的采樣速率連續(xù)采集400個數(shù)據(jù)點，參考電壓范圍選擇±10 V；當驅(qū)動控制器發(fā)送數(shù)字觸發(fā)信號時，觸發(fā)采集卡采集數(shù)據(jù)。調(diào)用UD_AI_Volt Scalet函數(shù)將轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為原始的電壓值。

曲線的繪制選用Teechart控件，與MFC自帶的畫圖控件相比，Teechart控件操作簡便，效率高。

4 試驗結(jié)果及分析

圖6為直線超聲電機特性測試系統(tǒng)實物圖。在驅(qū)動信號頻率為53.19 kHz，兩相相位差為90°的條件下，測試了蝶形直線超聲電機在不同驅(qū)動電壓下的瞬態(tài)特性和機械特性。

圖6 直線超聲電機特性測試系統(tǒng)實物圖Fig.6 Testing system of characteristics of linear ultrasonic motor

圖7和圖8為系統(tǒng)測得的蝶形直線超聲電機在不同驅(qū)動電壓下的啟動特性曲線和制動特性曲線。

由圖7可以看出，電機啟動時間隨著驅(qū)動信號電壓峰峰值的增加基本維持在0.04 s不變； 由圖8可以看出，正向運行或反向運動的制動時間隨著驅(qū)動電壓峰峰值的增加而增加，這是由于電壓峰峰值高，電機的穩(wěn)態(tài)運行速度高，平臺的慣性大造成的。由圖7和圖8可知，在特定電壓驅(qū)動下，電機的制動時間小于啟動時間。

圖7 電機啟動特性曲線Fig.7 The characteristic curves of motor start

圖8 電機制動特性曲線Fig.8 Motor braking characteristic curves

圖9為蝶形直線超聲電機在不同驅(qū)動電壓下的機械特性曲線。

由圖9可以看出，在一定電壓信號驅(qū)動下，電機的速度隨著輸出推力的增加而近似呈線性減??；隨著電壓信號峰峰值的增加，電機的最大輸出推力隨之增大。

圖10為電機輸出功率與輸出推力的關(guān)系曲線，電機在特定電壓驅(qū)動下運動時，隨著輸出推力的增加，電機的輸出功率也隨之增加，增加到最大值后隨著輸出推力的增加逐漸減小至零。從圖中還可以得到，隨著電壓信號峰峰值的增加，電機的最大輸出功率也隨之增大。

圖11為電機輸出功率與速度的關(guān)系曲線，電機在特定電壓驅(qū)動下運動時，隨著速度的減小，電機的輸出功率隨之增加，增加到最大值后隨著速度的減小逐漸減小至零。

圖9 速度-輸出推力關(guān)系曲線Fig.9 The relation curves between speed and output thrust

圖10 輸出功率-輸出推力關(guān)系曲線Fig.10 The relation curves between the output power and output thrust

圖11 輸出功率-速度關(guān)系曲線Fig.11 The relation curves between the output power and speed

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計和實現(xiàn)了一種新型的直線超聲電機特性測試系統(tǒng)，開發(fā)了基于MFC的上位機軟件，可方便實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的圖形化顯示和輸出。同時，采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F429微控制器開發(fā)了直線超聲電機的驅(qū)動控制器，方便針對不同種類的直線型超聲電機進行驅(qū)動控制。測試機構(gòu)的靈活設(shè)置，也非常便于對直線型超聲電機的多種特性進行測試。利用該測試系統(tǒng)對蝶形直線超聲電機進行了正反方向的瞬態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性的測試，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可對直線型超聲電機的多種特性進行測量，而且測試方法簡便、快捷。同時，利用該測試系統(tǒng)也非常方便于針對不同預(yù)壓力、不同摩擦界面情況下的直線超聲電機特性研究。