近年來，隨著（zhe）微/納米技術的（de）迅猛發展，對驅動精度（dù）的要求在納米級的水平。在光學工程、微電（diàn）子製造、航空航天、超精密機械製造、微機器（qì）人（rén）操作、地震測量、生物、醫學及遺傳工程等技術（shù）領域（yù）的研究都迫切需要（yào）亞微米級、微/納（nà）米級的超精密驅動，因此，各種微特（tè）電（diàn）機得到了快速（sù）的發展。其中由於壓電精密驅動電機具有高的驅動特性（xìng），在國內外得到（dào）了較為廣（guǎng）泛的研究。

壓電材料在驅（qū）動（dòng）時具有納米（mǐ）級的穩定輸出位移精度，並且壓電驅動線性好、控製方便、分辨率高（gāo）、頻率響（xiǎng）應好、不（bú）發熱、無磁幹擾、無噪聲等，同時，壓電驅動電機能實現體積小、重量輕、大功率密度的特點。因此采用（yòng）壓電驅動能較好（hǎo）的實（shí）現超精密（mì）驅動的性能。

采用定子內側箝位結構實現步進旋轉運動是一種新的嚐（cháng）試，采用4片無間隙薄（báo）壁柔（róu）性鉸鏈結構（gòu）精確地將壓電陶瓷的直線運動轉化（huà）為旋轉運動，在箝位和驅動的作用下實現高精度步（bù）進旋轉運動，該運動是一種“箝（qián）位步進箝位”方（fāng）式的仿生型運動，該結構對進一（yī）步了解和研究壓電（diàn）精密旋轉驅動電機提供了一（yī）種新的方法和借（jiè）鑒。

1總體結構及其工作原理內箝位壓電精密步進旋轉驅動電機的總體（tǐ）結構，主要有定子箝位體、轉（zhuǎn）子（zǐ）、驅動壓電陶瓷連接體（tǐ）、箝位（wèi）壓（yā）電陶（táo）瓷和驅動壓電陶瓷組成。定子（zǐ）箝位體結構分上下兩部分，即上箝位塊和下箝位塊，上箝位塊和轉子上的上轉子體接觸，而下箝位塊和（hé）轉子上的（de）下轉（zhuǎn）子體接觸。轉子體通過4片均勻分布的（de）薄壁柔性鉸鏈把上、下轉（zhuǎn）子體連接為一體。

驅動壓電陶瓷8安裝在（zài）驅動壓電陶瓷連（lián）接體9上，連接體（tǐ）的（de）一側和上轉子體接觸，另一側和下轉子體（tǐ）接觸，連接體上加工有可伸縮變形的柔性鉸鏈。該驅動電機的結構及（jí）運動原理如下：①初始狀態（tài）時2、8壓電（diàn）陶瓷（cí）處於自由狀態，下箝位壓電陶瓷（圖中未顯示，與5連接）通電（diàn）箝（qián）位，使5和11箝位到（dào）一起固定不動；②驅動壓電陶瓷8通電伸長，由於下（xià）轉子體不動，所以（yǐ）在連接體（tǐ）9的柔性鉸鏈變形下推動上（shàng）轉子體10順（shùn）時針旋轉一個角度θ；③上箝位壓電陶瓷2通電箝位（wèi），上箝位（wèi）體3與上轉子體10箝位固定；④下（xià）箝位（wèi）壓電陶瓷由箝（qián）位變為鬆開，11與5分開；⑤驅動壓電陶瓷（cí）8斷電鬆開，下轉子體11在鉸（jiǎo）鏈回彈力的（de）作用下沿順時針轉角度θ，然後下（xià）箝位壓電陶瓷重（chóng）新開（kāi）始箝位。這樣完（wán）成了一個步進旋轉動作循環，機構沿順時針方向轉動了（le）一步。連續重複上述步（bù）驟，則精密驅動電機（jī）可實現順時針連續（xù）步進旋轉。同理可以實現機（jī）構的逆（nì）時針旋轉。

2運（yùn）動過程及分析2.1箝位運動及其分析內（nèi）箝位型壓（yā）電精密步進（jìn）旋轉驅動（dòng）電機的定子箝位體（tǐ）結構如所示。上下箝（qián）位塊均設計有雙側雙向薄（báo）壁（bì）柔性鉸鏈，既減小了箝位時上、下箝位塊上箝位塊柔性鉸鏈下箝位塊（kuài）

對箝位效果的幹擾（即上箝位時可能導致下箝位體與下轉子壓緊），又保證了箝位時柔性鉸鏈隻沿壓電陶瓷（cí）伸長的方向變形，而不產生（shēng）其（qí）它方向的變形而導致對轉子產生附加轉矩。另外，箝位時上、下箝位體要（yào）保證分別隻與上（shàng）、下轉子（zǐ）體接觸，而不和其它部分接觸。在實際工作中（zhōng），由於定子（zǐ）箝位（wèi）體和轉子（zǐ）之間是接觸的，沒有間隙，或者說間隙很小（xiǎo），因此柔性鉸鏈幾乎（hū）不產生很大的變形，而僅僅是箝位力的傳遞。

在步進驅動中，箝位過程是影響步進運動效果關（guān）鍵因素，箝位性能（néng）參數主要包括（kuò）箝位力參數F，箝位響應頻（pín）率參數f 1和箝位穩定性參數S 1。大的（de）箝位力可使箝位牢靠；高的箝位（wèi）響應頻率可以箝（qián）位靈敏，可以實現高頻高速步（bù）進（jìn）運動（dòng）；箝（qián）位穩定性S 1是指箝位過程對步進運動的影響程度，即不會因箝位衝擊而產生附加（jiā）轉（zhuǎn）矩，從而提高步進重複性精度，可以（yǐ）用箝位誤（wù）差來表示。

對該箝位係統的靜力學和動力學分析中可作如下（xià）假定：假設單側箝位（wèi）塊質量為M，中間受一恒力F f（壓電陶瓷伸（shēn）長產（chǎn）生）作用，由材料力（lì）學知識可以推出：在F f的作用下（xià）箝位塊產生的位移量s為f 1 /（48）s F l EI（1）該箝位係統的固（gù）有頻率為3 2 1 48（34 /35）n EI M l（2）式中：EI為薄壁鉸鏈截麵抗彎曲剛度係數；M為箝位塊質量。

因此在保證箝位牢（láo）靠、剛性滿（mǎn）足要求的前提下，最大限度的減小M的質量，采用EI合適的材料和（hé）結（jié）構，將能顯著提高係統的固有頻率。由於薄（báo）壁鉸鏈截麵的影響，使係統的抗彎（wān）剛度係數EI引起的抗彎力F e <　　采用有限元（yuán）分析軟件Ansys8.1對該箝位結構進行有限元（yuán）分析的結果變形圖。分析中（zhōng）建立結構的有限元模（mó）型，采（cǎi）用三維四麵體單元SOLID45對實（shí）體模型進行單元劃分，有（yǒu）限元網格模型共有：50 221個（gè）節點，36 118個單元，其中柔性鉸鏈與定子箝（qián）位體連接端（duān）簡化成固支，箝位體采（cǎi）用具有高彈性模量的彈（dàn）簧鋼（gāng）材料（liào）。分析得（dé）到係統的一階固有頻率f b A到了與理論分析近似的結果（guǒ）。

2.2旋轉運動及其分析（xī）轉子是由上轉子體、下轉子體及通過圓周均布的四片薄壁柔性鉸鏈連接為（wéi）一起的整（zhěng）體結構，此鉸鏈結構能保證上、下轉子體繞轉子中心旋轉。驅動壓電（diàn）陶瓷連接體一（yī）側與上轉子體（tǐ）接（jiē）觸，另一（yī）側（cè）與下轉子體接（jiē）觸，連接體上有變形鉸鏈結構，當壓電陶瓷通電伸長時，則左側對上轉子體施加推力，右側對下轉子體施加推力。4片薄壁柔性鉸鏈和連（lián）接體上的柔性鉸鏈（liàn）在驅動壓（yā）電陶瓷回縮時起到彈性回複（fù）作用，除此之外連接體結構還能（néng）起到對驅動陶（táo）瓷（金（jīn）屬陶瓷熱擠壓模的產品（pǐn）說（shuō）明）的安裝預緊和保護（hù）作用。

轉子與定子配（pèi）合的（de）表麵精（jīng）度要求較高，因此在原始狀（zhuàng）態下轉子能自由轉動的前提下力求其與定子箝位體（tǐ）之間的間隙最小。轉子是驅（qū）動電機的運動部件柔性鉸（jiǎo）鏈上轉子體驅動連接體下轉子體和動力輸出裝置，其運動參數包括步距角參數（shù）？θ、有（yǒu）效推（tuī）力參數F e和頻率參數ωn。

步距角和結構尺寸（cùn）、鉸鏈（liàn）剛度、壓電陶瓷的變形量有關。其（qí）步距角大小可按下式計算：2 B 180（ / 2）l t l（5）式中：？θ為距角，（°）；？l為壓電陶瓷伸（shēn）長量，m；t為陶瓷長度，m；l B為陶瓷中（zhōng）心到鉸鏈中心距離，m.

上、下轉子體是否繞轉子中心（xīn）軸進行微角（jiǎo）度旋轉運動是（shì）該係統能否進行步進旋轉運動的關（guān）鍵因素和前提條（tiáo）件（jiàn），通過對轉子進（jìn）行靜力學有（yǒu）限元分析可以（yǐ）進行驗證。對轉子結構進行分析的模型結果圖（tú）。在分析過程中，以（yǐ）所（suǒ）示的下轉子體為固定側進行約束，對驅動壓電陶瓷的左側接觸麵施加力F，從圖（tú）中可以清楚地看到驅動後的薄壁（bì）柔性鉸（jiǎo）鏈的變形（xíng）效果及上轉子（zǐ）體旋（xuán）轉位移δ。另外通過對分布在轉子圓周上的多（duō）個點有限元（yuán）分析得（dé）出：變（biàn）形後各點仍（réng）以較高的（de）精度分布在變形前所在的圓周上，這（zhè）充分（fèn）說明轉子體結構的變形是繞著轉子中（zhōng）心軸進行的。在有限元分析中（zhōng），施加不同的力F，得（dé）到了不同的旋轉位移量δ。

各參數之間關係（xì）為（wéi）e w s R（）F F F K（6）式中：F為壓電陶瓷產生的（de）推（tuī）力；F w為有效輸出載荷（hé）；K S為連接體薄壁鉸鏈的當量彈（dàn）性係數；K R為轉子薄壁鉸（jiǎo）鏈的當量彈性係數；δ為轉子的旋轉變形位移量。

步進旋轉驅動過程是一個較複（fù）雜的過程，涉及到壓電陶瓷的響應時間，輸（shū）出載荷的加速度變化，內部能量損耗等，所以這裏采用了當量彈性係數K s、K R、有效推（tuī）力F e、有效輸出載荷F w等對係統進行（háng）有效（xiào）地描述。轉子運動時，驅動壓電（diàn）陶瓷應具有與箝位（wèi）部分相同的運動頻率，所以，為了提高整體係統的頻率，應盡可能的提高轉子係統本身的固有頻率。但轉子部分與定子箝（qián）位體部分是不同的，定子箝（qián）位係統的固有頻率一旦設計完成，是一個固定不變的量，而直線動子係統的固有（yǒu）頻率則隨著輸出（chū）載荷（hé）的變化而變化（huà），是一個變化的量。由（yóu）材料（liào）力學（xué）和振動力（lì）學（xué）知識可以得出：s R 0 w 2（）n K F M M M M e（7）式中：M為上（shàng）轉子體和連接體的有效質（zhì）量；M w為外部載荷物體質量；F 0為施加在壓電陶瓷上的預緊力；e為轉子運動（dòng）的振幅。

在轉（zhuǎn）子設計中，在滿足（zú）強度條件和步進位移量的前提下，應盡量提高薄壁柔性鉸鏈的等效彈性係數K s和K R，減小轉子（zǐ）和連接體的質量M，使係統具（jù）有良（liáng）好的動態性能。

3壓電步進（jìn）旋轉電機控製係統壓電步進電機的整體控製係統。PC機作為整個係統的和核心（xīn）來控製（zhì）其運動狀態。PC發出（chū）的數字信號（hào）經（jīng）3路D/A轉換成模擬信號並通（tōng）過3路放大裝置進行放大。3路經放大的電源按給（gěi）定（dìng）的時（shí）序對2個箝位壓電疊堆和1個（gè）驅動壓電疊堆進行協調控製。在整個控製係統中，由於壓電疊堆為電容性器件，為使其達到能完全伸縮（suō）的性能特點，必須對（duì）壓電疊堆設計高頻完全放電回（huí）路，使（shǐ）壓電疊堆在斷電時其（qí）內部存儲的電量能夠徹底放掉。另（lìng）外（wài），係統中安裝了精密位移測量裝置，對（duì）係統結構產生的位移進（jìn）行準確的測量，並送入PC進行詳細處理。

驅動所（suǒ）用的電源信號時序關係對整個係統的動作至（zhì）關重要，它（tā）直接影響係統的（de）運動效果。3路時序信號的相位關係如所示，1、3路（lù）為鉗（qián）位壓電疊（dié）堆通（tōng）電信號，2路（lù）為驅（qū）動壓（yā）電疊堆通電信號。

時序信號（hào）為梯形信號，這樣可消除電源信號的上升沿和（hé）下降沿由於突變（biàn）而產生的（de）衝擊（jī）噪（zào）聲，並且對壓電驅動元件起到保護作用，提高壓電疊堆的使用壽放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆1放（fàng）大D/A 1放（fàng）電回路箝位壓電疊堆2放（fàng）大（dà）D/A 1放電回路箝位壓電疊堆3數據（jù）處理精密測微儀（yí）PC控（kòng）製t t t t上箝位驅動下箝位T命。在（zài）控（kòng）製（zhì）信號的設計方麵，應充分考慮各部分的時序分配和分布（bù），如所（suǒ）示：把一個周期T分為6等分，每等分（fèn）t=T/6，電源信號的上升沿和下降沿分別占？t，？t≈t/4.箝位電（diàn）壓信號的平均（jun1）低電平（斷電）時間為2t=T/3，平均高電平（通電）時間為（wéi）4t=2T/3，驅動電壓信號的高電平（píng）和低電（diàn）平時間是相等的，分別占T/2，左右箝位電壓信號的時序相差3t.

4試（shì）驗與測量4.1實驗裝置為研製的壓（yā）電精密步進旋轉驅動電機內部結構（gòu）的實物照片。在試驗測量中用到的儀器有：JPC型集成精密信號發生（shēng）放大器，LC2400A型非接觸（chù）精密激光測微儀（yí），HPC係列壓電陶瓷驅動電源，精密氣（qì）浮隔振台等。測量中將激光測微（wēi）儀的激光焦點照射到運動體的表（biǎo）麵上並（bìng）調到穩定狀態，通過屏幕上（shàng）顯示的數據可得到旋轉位（wèi）移的大小。

4.2步進（jìn）分辨率（lǜ）測量分辨率是指步進運動時每一步所能達到的最小步長，分辨率是精密驅動電（diàn）機（jī）的一（yī）個重要指標。對該驅動電機進行分辨率測量的曲線圖，可以看出，驅動電壓5V時得到其（qí）分（fèn）辨率值大約為1μrad。而大於5V時分辨率值增大，低於5V時，無角位移輸出。因此在驅動電壓5V時（shí）得到的數（shù）值即為該驅動的最（zuì）大分辨率（lǜ），5V驅動電壓就（jiù）稱為截止驅動電壓。

4.3箝位力及（jí）箝位穩（wěn）定性測量為箝位力N f的測量曲線。通過測量得出係（xì）統的最大箝位扭矩N f達到2.3Nm.另外，最大箝位扭矩與（yǔ）箝位電壓（yā）成近似線性關（guān）係。在實際工作中，箝位電壓70V所達到（dào）的1.5Nm，箝（qián）位扭矩已基本滿足超精密定位領域（yù）的使用需求。

2.5 1.5 0.5 0 40 80 100 60 20箝位電壓/V最大箝位矩/（N）箝位誤差（chà）是箝位動作對轉子產生的影響，用箝位過程（chéng）對轉子產生的微小位移來描述（shù）。1是驅動電機的箝位誤差測量結果。圖中每個電壓（yā）點的測定值（zhí）都是（shì）從100個（gè）測量值中所取得的平（píng）均值。從圖中（zhōng）可以看出（chū），箝（qián）位過程中最大箝位（wèi）誤差值在個別測量點，達到（dào）最大的0.01μrad.另外（wài），隨著箝位電壓值的增（zēng）大，箝位誤差值有增大的趨勢（shì），但從整體來看（kàn），該箝位過程（chéng）對（duì）轉子的影響非常微弱。因此該箝（qián）位過程是穩定的。

4.4步進轉速測量內箝位/外驅動型壓（yā）電精密步進旋轉電機的速度由驅動電壓和步進頻率（lǜ）決定（dìng）。其（qí）關係（xì）如2所示。圖中給出（chū）了幾（jǐ）種典型頻率的速度曲線，該速度是在空載狀態下測得的。從圖中（zhōng）可（kě）以看出，步進頻率40Hz時速（sù）度達到325μrad/s，根據需要可適當調節頻率和驅動電壓來滿足各種速度要求（qiú）。另外（wài），壓電陶瓷閉環曲線的上升過程（chéng），其斜率（lǜ）是增大的，而圖中速度-電（diàn）壓（yā）曲（qǔ）線的斜率隨電壓的升高逐漸減小，這是因為當電壓升高時，壓（yā）電疊堆位移（yí）量和驅動力增大導致柔性鉸鏈的變形增大或出現微小塑性（xìng）變形，從而產生附加（jiā）載（zǎi）荷所致。

4.5連續步進轉矩測量連續輸出轉矩是衡量壓電精密步進旋轉驅動電機的一個重（chóng）要指標。3為輸出角（jiǎo）位移量大小和輸（shū）出扭矩以及驅動電壓之間的關係圖（tú），從圖中可以看（kàn）出，在同一電（diàn）壓下，在一定（dìng）的載荷範圍內，力對位移的影響不明顯，超過一定的外載荷，則位移有（yǒu）輕微的下（xià）降趨勢。實驗中，在（zài）100V電壓下，外載荷M<30N？cm的情況下，載荷變化對位移的影響不明顯（xiǎn），但（dàn）超過一（yī）定載荷後，輸出位移急速下降，這是因為當達到一定的輸出載荷時（shí），箝位力不足以承擔驅動壓電（diàn）陶瓷對箝位端產生的反作用力，這時出現步進紊亂。由圖（tú）中曲線（xiàn）可以看出，100V電壓下，在M<30N？cm時，角（jiǎo）位移輸出是比較穩定的。

壓電精密步進（jìn）旋轉驅動電機的工作頻率主要取決於驅動電機結構的如下因素：①箝位體雙薄壁柔性鉸鏈的彎曲剛度（dù）；②箝位塊的質（zhì）量（liàng）；③轉子上（shàng）4個扭轉彎（wān）曲組合薄壁柔性鉸鏈的剛度；④上下轉子體（tǐ）的質量；⑤驅動連接體柔性鉸鏈的剛度。其（qí）中，1和2決定定子箝位體的固有頻率；③、④和⑤決定轉子的固有（yǒu）頻率。通過實驗，得出係統的最大工作頻率為40Hz，即在40Hz時驅（qū）動電機係統獲得最大步進旋轉速率，當頻率大於40Hz時，旋轉速度扭矩迅速下降（jiàng）。

5結論（lùn）（1）新（xīn）型壓（yā）電精密步（bù）進旋轉驅動電機具有具有高頻率（40Hz）、高的分辨率（1μrad）、有效驅動轉矩（30N？cm）、較高驅動速度（325μrad/s）、任意（yì）角度旋轉的（de）特性。

（2）薄壁柔性鉸鏈定子箝位體結構工作頻率高、箝位牢固、工作可靠，解決了高頻和箝（qián）位牢固之（zhī）間（jiān）的矛盾。

（3）利用定子內箝位/轉子外驅動方式和薄壁柔性鉸鏈結構實現步進（jìn）旋轉驅動為壓電驅動電機的設計提供了（le）一種可借鑒的（de）方法（fǎ）。