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。