近年来，随着微/纳米技术的迅猛发展，对驱动精度的要求在纳米级的水平。在光学工程、微电子制造、航空航天、超精密机械制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的超精密驱动，因此，各种微特电机得到了快速的发展。其中由于压电精密驱动电机具有高的驱动特性，在国内外得到了较为广泛的研究。

压电材料在驱动时具有纳米级的稳定输出位移精度，并且压电驱动线性好、控制方便、分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪声等，同时，压电驱动电机能实现体积小、重量轻、大功率密度的特点。因此采用压电驱动能较好的实现超精密驱动的性能。

采用定子内侧箝位结构实现步进旋转运动是一种新的尝试，采用4片无间隙薄壁柔性铰链结构精确地将压电陶瓷的直线运动转化为旋转运动，在箝位和驱动的作用下实现高精度步进旋转运动，该运动是一种“箝位步进箝位”方式的仿生型运动，该结构对进一步了解和研究压电精密旋转驱动电机提供了一种新的方法和借鉴。

1总体结构及其工作原理内箝位压电精密步进旋转驱动电机的总体结构，主要有定子箝位体、转子、驱动压电陶瓷连接体、箝位压电陶瓷和驱动压电陶瓷组成。定子箝位体结构分上下两部分，即上箝位块和下箝位块，上箝位块和转子上的上转子体接触，而下箝位块和转子上的下转子体接触。转子体通过4片均匀分布的薄壁柔性铰链把上、下转子体连接为一体。

驱动压电陶瓷8安装在驱动压电陶瓷连接体9上，连接体的一侧和上转子体接触，另一侧和下转子体接触，连接体上加工有可伸缩变形的柔性铰链。该驱动电机的结构及运动原理如下：①初始状态时2、8压电陶瓷处于自由状态，下箝位压电陶瓷（图中未显示，与5连接）通电箝位，使5和11箝位到一起固定不动；②驱动压电陶瓷8通电伸长，由于下转子体不动，所以在连接体9的柔性铰链变形下推动上转子体10顺时针旋转一个角度θ；③上箝位压电陶瓷2通电箝位，上箝位体3与上转子体10箝位固定；④下箝位压电陶瓷由箝位变为松开，11与5分开；⑤驱动压电陶瓷8断电松开，下转子体11在铰链回弹力的作用下沿顺时针转角度θ，然后下箝位压电陶瓷重新开始箝位。这样完成了一个步进旋转动作循环，机构沿顺时针方向转动了一步。连续重复上述步骤，则精密驱动电机可实现顺时针连续步进旋转。同理可以实现机构的逆时针旋转。

2运动过程及分析2.1箝位运动及其分析内箝位型压电精密步进旋转驱动电机的定子箝位体结构如所示。上下箝位块均设计有双侧双向薄壁柔性铰链，既减小了箝位时上、下箝位块上箝位块柔性铰链下箝位块

对箝位效果的干扰（即上箝位时可能导致下箝位体与下转子压紧），又保证了箝位时柔性铰链只沿压电陶瓷伸长的方向变形，而不产生其它方向的变形而导致对转子产生附加转矩。另外，箝位时上、下箝位体要保证分别只与上、下转子体接触，而不和其它部分接触。在实际工作中，由于定子箝位体和转子之间是接触的，没有间隙，或者说间隙很小，因此柔性铰链几乎不产生很大的变形，而仅仅是箝位力的传递。

在步进驱动中，箝位过程是影响步进运动效果关键因素，箝位性能参数主要包括箝位力参数F，箝位响应频率参数f 1和箝位稳定性参数S 1。大的箝位力可使箝位牢靠；高的箝位响应频率可以箝位灵敏，可以实现高频高速步进运动；箝位稳定性S 1是指箝位过程对步进运动的影响程度，即不会因箝位冲击而产生附加转矩，从而提高步进重复性精度，可以用箝位误差来表示。

对该箝位系统的静力学和动力学分析中可作如下假定：假设单侧箝位块质量为M，中间受一恒力F f（压电陶瓷伸长产生）作用，由材料力学知识可以推出：在F f的作用下箝位块产生的位移量s为f 1 /（48）s F l EI（1）该箝位系统的固有频率为3 2 1 48（34 /35）n EI M l（2）式中：EI为薄壁铰链截面抗弯曲刚度系数；M为箝位块质量。

因此在保证箝位牢靠、刚性满足要求的前提下，最大限度的减小M的质量，采用EI合适的材料和结构，将能显著提高系统的固有频率。由于薄壁铰链截面的影响，使系统的抗弯刚度系数EI引起的抗弯力F e <　　采用有限元分析软件Ansys8.1对该箝位结构进行有限元分析的结果变形图。分析中建立结构的有限元模型，采用三维四面体单元SOLID45对实体模型进行单元划分，有限元网格模型共有：50 221个节点，36 118个单元，其中柔性铰链与定子箝位体连接端简化成固支，箝位体采用具有高弹性模量的弹簧钢材料。分析得到系统的一阶固有频率f b A到了与理论分析近似的结果。

2.2旋转运动及其分析转子是由上转子体、下转子体及通过圆周均布的四片薄壁柔性铰链连接为一起的整体结构，此铰链结构能保证上、下转子体绕转子中心旋转。驱动压电陶瓷连接体一侧与上转子体接触，另一侧与下转子体接触，连接体上有变形铰链结构，当压电陶瓷通电伸长时，则左侧对上转子体施加推力，右侧对下转子体施加推力。4片薄壁柔性铰链和连接体上的柔性铰链在驱动压电陶瓷回缩时起到弹性回复作用，除此之外连接体结构还能起到对驱动陶瓷（金属陶瓷热挤压模的产品说明）的安装预紧和保护作用。

转子与定子配合的表面精度要求较高，因此在原始状态下转子能自由转动的前提下力求其与定子箝位体之间的间隙最小。转子是驱动电机的运动部件柔性铰链上转子体驱动连接体下转子体和动力输出装置，其运动参数包括步距角参数？θ、有效推力参数F e和频率参数ωn。

步距角和结构尺寸、铰链刚度、压电陶瓷的变形量有关。其步距角大小可按下式计算：2 B 180（ / 2）l t l（5）式中：？θ为距角，（°）；？l为压电陶瓷伸长量，m；t为陶瓷长度，m；l B为陶瓷中心到铰链中心距离，m.

上、下转子体是否绕转子中心轴进行微角度旋转运动是该系统能否进行步进旋转运动的关键因素和前提条件，通过对转子进行静力学有限元分析可以进行验证。对转子结构进行分析的模型结果图。在分析过程中，以所示的下转子体为固定侧进行约束，对驱动压电陶瓷的左侧接触面施加力F，从图中可以清楚地看到驱动后的薄壁柔性铰链的变形效果及上转子体旋转位移δ。另外通过对分布在转子圆周上的多个点有限元分析得出：变形后各点仍以较高的精度分布在变形前所在的圆周上，这充分说明转子体结构的变形是绕着转子中心轴进行的。在有限元分析中，施加不同的力F，得到了不同的旋转位移量δ。

各参数之间关系为e w s R（）F F F K（6）式中：F为压电陶瓷产生的推力；F w为有效输出载荷；K S为连接体薄壁铰链的当量弹性系数；K R为转子薄壁铰链的当量弹性系数；δ为转子的旋转变形位移量。

步进旋转驱动过程是一个较复杂的过程，涉及到压电陶瓷的响应时间，输出载荷的加速度变化，内部能量损耗等，所以这里采用了当量弹性系数K s、K R、有效推力F e、有效输出载荷F w等对系统进行有效地描述。转子运动时，驱动压电陶瓷应具有与箝位部分相同的运动频率，所以，为了提高整体系统的频率，应尽可能的提高转子系统本身的固有频率。但转子部分与定子箝位体部分是不同的，定子箝位系统的固有频率一旦设计完成，是一个固定不变的量，而直线动子系统的固有频率则随着输出载荷的变化而变化，是一个变化的量。由材料力学和振动力学知识可以得出：s R 0 w 2（）n K F M M M M e（7）式中：M为上转子体和连接体的有效质量；M w为外部载荷物体质量；F 0为施加在压电陶瓷上的预紧力；e为转子运动的振幅。

在转子设计中，在满足强度条件和步进位移量的前提下，应尽量提高薄壁柔性铰链的等效弹性系数K s和K R，减小转子和连接体的质量M，使系统具有良好的动态性能。

3压电步进旋转电机控制系统压电步进电机的整体控制系统。PC机作为整个系统的和核心来控制其运动状态。PC发出的数字信号经3路D/A转换成模拟信号并通过3路放大装置进行放大。3路经放大的电源按给定的时序对2个箝位压电叠堆和1个驱动压电叠堆进行协调控制。在整个控制系统中，由于压电叠堆为电容性器件，为使其达到能完全伸缩的性能特点，必须对压电叠堆设计高频完全放电回路，使压电叠堆在断电时其内部存储的电量能够彻底放掉。另外，系统中安装了精密位移测量装置，对系统结构产生的位移进行准确的测量，并送入PC进行详细处理。

驱动所用的电源信号时序关系对整个系统的动作至关重要，它直接影响系统的运动效果。3路时序信号的相位关系如所示，1、3路为钳位压电叠堆通电信号，2路为驱动压电叠堆通电信号。

时序信号为梯形信号，这样可消除电源信号的上升沿和下降沿由于突变而产生的冲击噪声，并且对压电驱动元件起到保护作用，提高压电叠堆的使用寿放大D/A 1放电回路箝位压电叠堆1放大D/A 1放电回路箝位压电叠堆2放大D/A 1放电回路箝位压电叠堆3数据处理精密测微仪PC控制t t t t上箝位驱动下箝位T命。在控制信号的设计方面，应充分考虑各部分的时序分配和分布，如所示：把一个周期T分为6等分，每等分t=T/6，电源信号的上升沿和下降沿分别占？t，？t≈t/4.箝位电压信号的平均低电平（断电）时间为2t=T/3，平均高电平（通电）时间为4t=2T/3，驱动电压信号的高电平和低电平时间是相等的，分别占T/2，左右箝位电压信号的时序相差3t.

4试验与测量4.1实验装置为研制的压电精密步进旋转驱动电机内部结构的实物照片。在试验测量中用到的仪器有：JPC型集成精密信号发生放大器，LC2400A型非接触精密激光测微仪，HPC系列压电陶瓷驱动电源，精密气浮隔振台等。测量中将激光测微仪的激光焦点照射到运动体的表面上并调到稳定状态，通过屏幕上显示的数据可得到旋转位移的大小。

4.2步进分辨率测量分辨率是指步进运动时每一步所能达到的最小步长，分辨率是精密驱动电机的一个重要指标。对该驱动电机进行分辨率测量的曲线图，可以看出，驱动电压5V时得到其分辨率值大约为1μrad。而大于5V时分辨率值增大，低于5V时，无角位移输出。因此在驱动电压5V时得到的数值即为该驱动的最大分辨率，5V驱动电压就称为截止驱动电压。

4.3箝位力及箝位稳定性测量为箝位力N f的测量曲线。通过测量得出系统的最大箝位扭矩N f达到2.3Nm.另外，最大箝位扭矩与箝位电压成近似线性关系。在实际工作中，箝位电压70V所达到的1.5Nm，箝位扭矩已基本满足超精密定位领域的使用需求。

2.5 1.5 0.5 0 40 80 100 60 20箝位电压/V最大箝位矩/（N）箝位误差是箝位动作对转子产生的影响，用箝位过程对转子产生的微小位移来描述。1是驱动电机的箝位误差测量结果。图中每个电压点的测定值都是从100个测量值中所取得的平均值。从图中可以看出，箝位过程中最大箝位误差值在个别测量点，达到最大的0.01μrad.另外，随着箝位电压值的增大，箝位误差值有增大的趋势，但从整体来看，该箝位过程对转子的影响非常微弱。因此该箝位过程是稳定的。

4.4步进转速测量内箝位/外驱动型压电精密步进旋转电机的速度由驱动电压和步进频率决定。其关系如2所示。图中给出了几种典型频率的速度曲线，该速度是在空载状态下测得的。从图中可以看出，步进频率40Hz时速度达到325μrad/s，根据需要可适当调节频率和驱动电压来满足各种速度要求。另外，压电陶瓷闭环曲线的上升过程，其斜率是增大的，而图中速度-电压曲线的斜率随电压的升高逐渐减小，这是因为当电压升高时，压电叠堆位移量和驱动力增大导致柔性铰链的变形增大或出现微小塑性变形，从而产生附加载荷所致。

4.5连续步进转矩测量连续输出转矩是衡量压电精密步进旋转驱动电机的一个重要指标。3为输出角位移量大小和输出扭矩以及驱动电压之间的关系图，从图中可以看出，在同一电压下，在一定的载荷范围内，力对位移的影响不明显，超过一定的外载荷，则位移有轻微的下降趋势。实验中，在100V电压下，外载荷M<30N？cm的情况下，载荷变化对位移的影响不明显，但超过一定载荷后，输出位移急速下降，这是因为当达到一定的输出载荷时，箝位力不足以承担驱动压电陶瓷对箝位端产生的反作用力，这时出现步进紊乱。由图中曲线可以看出，100V电压下，在M<30N？cm时，角位移输出是比较稳定的。

压电精密步进旋转驱动电机的工作频率主要取决于驱动电机结构的如下因素：①箝位体双薄壁柔性铰链的弯曲刚度；②箝位块的质量；③转子上4个扭转弯曲组合薄壁柔性铰链的刚度；④上下转子体的质量；⑤驱动连接体柔性铰链的刚度。其中，1和2决定定子箝位体的固有频率；③、④和⑤决定转子的固有频率。通过实验，得出系统的最大工作频率为40Hz，即在40Hz时驱动电机系统获得最大步进旋转速率，当频率大于40Hz时，旋转速度扭矩迅速下降。

5结论（1）新型压电精密步进旋转驱动电机具有具有高频率（40Hz）、高的分辨率（1μrad）、有效驱动转矩（30N？cm）、较高驱动速度（325μrad/s）、任意角度旋转的特性。

（2）薄壁柔性铰链定子箝位体结构工作频率高、箝位牢固、工作可靠，解决了高频和箝位牢固之间的矛盾。

（3）利用定子内箝位/转子外驱动方式和薄壁柔性铰链结构实现步进旋转驱动为压电驱动电机的设计提供了一种可借鉴的方法。