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。