第三章 實驗量測與結果討論
3.3 超音波馬達的性能量測
馬達性能的評估通常以馬達的扭矩(torque)與轉速(revolution speed)為 準則，本節將介紹量測超音波馬達最大扭矩、最大轉速及轉速與扭矩的性 能曲線之裝置。周向模態(1,2)的共振頻率不屬於波音波的頻率範圍，且扭 矩太小，無法以目前所擁有的實驗儀器量測，故本研究僅測試周向模態(1,3) 與(1,4)驅動的超音波馬達，探討不同電極配置與周向模態驅動的馬達性 能，並以模態感測器監測馬達的運轉狀況。
3.3.1 模態感測器訊號分析
模態感測器除了可以量測共振頻率之外，還可監測馬達定子工作時的 狀況。圖 2.25 與 2.26 所示為軸對稱分佈電極以周向模態(1,3)、(1,4)驅動超 音波馬達，所量測得到模態感測器訊號。馬達定子產生行進波時，若未加 轉子負載，各感測器所量得訊號的振幅與相位皆一致，隨時間呈現完整的 弦波波形。當馬達定子承受負載時，定子因外力作用使得應變增加，壓電 圓管產生正壓電效應，故訊號振幅較沒加負載時大，且相位會有偏移的現 象。如圖 3.27 所示，若以不同的頻率驅動周向匝數 n = 4，且兩側配置電極 的定子，訊號呈現扭曲現象且振幅較小，故模態感測器也可用於檢測馬達 的驅動頻率是否因磨耗而改變。
3.3.2 性能試驗
超音波馬達的性能試驗裝置如圖 3.28 所示，函數產生器輸出頻率與馬 達定子特定周向模態共振頻率相同的弦波訊號，經由相移器與功率放大器 (piezo amplifier, model EPA-104)，輸出兩組相位差±90o的訊號至馬達定子的 A、B 致動器，產生行進波。轉子受摩擦力推動時，鍵槽帶動馬達的轉軸，
由聯軸器連接轉軸與編碼器(encoder, HRT-3A/1000 ppr, Hontko Inc.)，計算 馬達的轉速。另外，以 Futek 公司的荷重元(load cell, LSM400)與砝碼量測 馬達的扭矩。實驗的自動化量測系統採用 NI 公司的 PCI -7344 運動控制卡 讀譯碼器的數位訊號，並以 PCI-6035E 資料擷取卡讀取荷重元之類比訊 號，透過 LabView 圖控軟體顯示超音波馬達的轉速與扭矩值。本實驗以編 碼器配合荷重元，量測馬達在不同扭矩下的轉速。轉子與棉線間是可滑動 的，轉子另一端切線方向懸掛不同重量的砝碼，量測馬達的扭矩。
3.3.3 最大扭矩量測試驗
圖 3.29 所示為超音波馬達最大扭矩(holding torque)的量測示意圖，利
用前述的荷重元為拉力感測器，在馬達轉子的切線位置以棉繩連結。為了 讓馬達轉子與棉繩之間的摩擦力增加，首先把棉繩浸濕，讓棉繩較沒有伸 縮性，更能附著在馬達的轉子上，量測驅動瞬間最大的拉力，擷取卡讀取 荷重元訊號，由電腦內部程式計算獲得馬達最大的扭矩。量測過程要隨時 注意轉子是否滑動，若有些微滑動就必須重新調整棉繩與轉子的鬆緊度。
3.3.3 馬達的性能分析
實驗中，轉子作用於馬達定子的預負載調整是以壓縮彈簧在線性範圍 內操作，圖 3.30 所示為彈簧特性圖。當彈簧壓縮量達 2 mm 以上時，彈簧 壓縮量與軸向施力呈線性關係。本實驗在此線性區域下，調整馬達預負載 大小，並量測馬達轉速與最大扭矩對於預負載的影響。圖 3.31 與 3.32 顯示 預負載對於馬達最大扭矩與最大轉速的變化，可找出最佳的預負載大小。
若驅動之交流電壓為 200 Vp-p，以周向模態(1,3)及(1,4)之共振頻率驅動周向 匝數 n = 3、4 之軸對稱分佈電極的馬達，所產生最大扭矩分別為 6.9、22.6 mN-m，最大轉速分別為 200、334 rpm。若以周向模態(1,4)之共振頻率驅動 周向匝數 n = 4 之兩側配置電極的馬達，最大扭矩達 8 mN-m，最大轉速為 265 rpm。上述三組量測的最佳的預負載大小分別為 0.497、0.664 及 0.497 N。
若以兩種不同的電極佈置驅動周向模態(1,4)的超音波馬達，軸對稱分 佈電極者明顯比兩側配置電極者產生的扭矩大，轉速也較快。若以不同周 向模態的軸對稱分佈電極驅動馬達時，高階模態的馬達轉速與扭力皆較低 階者大。圖 3.33 所示為三種型態的馬達扭矩與轉速曲線圖，以周向模態(1,4) 之共振頻率驅動周向匝數 n = 4 之軸對稱分佈電極的馬達性能最好。
圖 3.34 所示為各馬達的轉速與驅動電壓的關係曲線，試驗結果顯示驅 動電壓小於 100 Vp-p時，轉速會急速下降。以周向模態(1,4)之共振頻率驅動 兩側配置電極的馬達需要 96 Vp-p才可驅動，但以周向模態(1,3)與(1,4)之共
振頻率驅動周向匝數 n = 3、4 的軸對稱分佈電極之馬達，在 70 Vp-p就可驅 動，增加馬達致動電極的數目可明顯增加驅動能力。