摘要：相比其他类型的惯性冲击电机而言，压电双晶片式惯性冲击电机在体积、驱动电压和成本上有许多优势。在分析了，惯性冲击电机的工作原理基础上，采用等效电路和电路分析方法论证在较高的驱动频率下方波驱动压电双晶片式惯性冲击电机的可行性，采用模块化思路设计了与之相对应的驱动电路，驱动电路工作电压低，容易实现，制作出一种压电双晶片式惯性冲击直线电机。实验结果验证了方波驱动电路的驱动效果，表明电机运行速度随驱动电压增大而增加，电机存在****驱动频率和****占空比。
关键词：压电双晶片；惯性冲击电机；等效电路；方波驱动；占空比0引言压电惯性冲击电机(Impact Drive Mechanism，简称IDM)是利用压电陶瓷元件的快速变形所产生的惯性冲击力来实现微位移的一种驱动机构，在与精密定位技术相关的领域已有许多应用。最早的IDM是基于电磁效应，后来运用压电效应便产生了堆叠式的惯性冲击电机、陶瓷管式惯性冲击电机。、双晶片式惯性冲击电机。等，其中，双晶片式惯性冲击电机因其具有体积小、驱动电压低、成本低等诸多优势，逐渐引起相关研究人员重视。
堆叠式和陶瓷管式惯性冲击电机所采用压电元件的等效电容和驱动电压均较大，在驱动频率较高时易造成充放电电流过大(瞬间****电流达到10 A量级以上)，所以驱动频率一般在l kHz以下，此时压电体的充放电时间相对驱动周期基本可忽略，为实现压电体在一个工作周期内快速伸长和慢速缩短或快速缩短和慢速伸长，须采用不对称的锯齿波驱动信号；而在使用压电双晶片作为驱动元件时，压电双晶片的等效电容比堆叠陶瓷和压电陶瓷管小三个数量级左右，同时为了提高驱动力和电机运行速度，往往采用较高的驱动频率(几十到上百千赫兹)。
在较高的驱动频率下，压电元件充放电时间相对驱动周期不容忽视。在这种条件下，采用方波驱动可以达到与采用锯齿波驱动相同的目的，且效果更好”。但文献[6—7]并未对采用方波驱动的合理性做更进一步的分析，文献[5]提出在驱动电路中增加放电回路使双晶片的充电时间常数和放电时间常数不相等，具体实现起来困难。
其实，不需要增加放电回路电可以实现方波驱动压电双晶片式惯性直线电机的驱动。本文采用等效电路和电路分析方法论证了双晶片式惯性冲击电机采用方波驱动的合理性，即在较高频率下，压电双晶片在一个工作周期内先不充分充电而后充分放电以实现向伸长和缩短变化率的不同；设计了频率、电压幅值及占空比可调的方波驱动电路，同时设计了一种压电双晶片惯性冲击电机；最后对方波驱动的效果及影响电机眭能的一些参数进行了实验分析。
1压电双晶片式性生冲击电机的方波驱动理论
压电惯性冲击电机的运动基于压电元件在一个工作周期内快速伸长和慢速缩短或快速缩短和慢速伸长，结合动子和定子之间的摩擦力，则可使动子相对定子轴产生所需要的相对运动。可通过分析双晶片在单周期内的振动位移响应来分析实现电机运动的条件。
在非共振条件下，压电晶片可等效为一个电容c和电阻R的串联，图1为方波驱动压电双晶片的简化等效电路。由压电方程可知，压电元件变形量与其两端电荷量直接相关，因此取等效电容两端作为输出。
根据电容充放电原理，压电双晶片的电压响应可用式(1)表示，压电元件的变形量与电压变化量成线性关系，双晶片带动定子轴同步振动，所以式(1)可同时表达与双晶片粘接在一起的定子轴的振动位移响应；对式(1)求二阶导数，得到式(2)，则得到其加速度响应方程，以分析位移变化的过程。
图2中只考虑单周期内的情况。从图2可以看出，充电过程持续时间过长，如Ld=3r和f。=5r的情况，充放电过程的位移响应过程很接近，不利于电机产生运动；充电时间过短则不利于保证单周期内的位移量，如f=0 5r的情况，充电过程结束时产生的位移量较小，所以推知驱动频率存在一个****值。
图中实线和虚线分别为充电过程和放电过程定子轴的加速度响应曲线。为方便比较，我们分别把这两条曲线调整为从时间零点起始的正值，当这两条线重合时，充放电过程具有相同的加速度响应，电机不能运动；反之，由相关文献[5]知道，重合度越低，越有利于电机运动：由图3可以看出，TD=7时，电机具有比较好的运动条件。
由上述分析可知，充电过程结束时双晶片的电压响应值与驱动电压幅值的差是决定电机能否正常运动的关键因素。当充电持续时间达到￡=3r时，响应电压幅值可达到U=O 95U。以T=3r为临界充电时间，若设驱动方波的占空比为D，双晶片充放电时间常数为r，则保证电机运动的****临界驱动频率如下：
方波驱动的惯性冲击电机通过改变驱动信号正负号来控制电机的运动方向，与锯齿波驱动相比具有很大的方便性。当驱动信号的正负号改变时，在快速变形阶段本来做收缩运动的压电晶片改做扩张运动，本来做扩张运动的晶片改做收缩运动，即快速变形阶段晶片的振动方向改变，宏观表现为电机的运动方向改变。
2驱动电路及电机制作
2 1驱动电路设计
由上述分析可知，驱动电路的主要功能要求为输出频率、电压幅值和占空比可调的方波信号。其主要包括三个功能模块。模块一为脉宽调制电路，产生频率及占空比可调的低压(5 v)方波，使用TI公司生产的脉宽调制电路uc3525；模块二为逻辑控制电路，由基本门电路芯片构成，通过两个按钮进行操作，通过对方波信号高低电平的控制来实现对电机运动状态的控制，包括运动与停止、正向运动与反向运动；模块三为高压驱动电路，在原低压方波的基础上得到一个幅值可调的高压方波，以满足电机驱动的电压及功率需要。采用步进电动机驱动芯片PBL3717，其可产生两路反向的信号，同时将由输出
电压可调的电源芯片LM2577输出的高电压赋给输入的5 V方波信号。
所研制的驱动电路具有如下功能：产生频率、电压、占空比可调的方波信号，其中频率调节范围24～1 000 kHz，电压调节范围5～35 V，占空比调节范围25％～50％。图4为电机驱动框图、设计制作的
驱动电路PcB板及制作的压电双晶片惯性冲击电机。
2．2压电双晶片式惯性冲击电机的制作
电机主要由压电双晶片、轴、动子、托架几个部分组成。
压电双晶片采用向苏州昆山攀特电陶科技有限公司定制的型号QDTAlO O 5—2的圆片状压电双晶片，晶片直径7 mm；轴垂直粘接在双晶片中部，直径1 2 mm，长度17 mm，材料为耐热玻璃；动子套在轴上，可沿轴运动，用两个不锈钢角钢外包橡皮管制成，可轻微调节与轴之间的松紧程度，即调节摩擦力；托架用于支撑起电机的主体。
3实验
我们从理论上分析了方波驱动信号具有良好的驱动能力，而其具体驱动过程以及如何实现更好的驱动性能仍需进一步的实验验证和分析。利用激光测振仪进行测量，实验装置如图5所示，把双晶片式惯性冲击电机垂直固定，激光测振仪的激光发射头对准双晶片中心区域，当电机工作时，可在激光测振仪的电脑端得到双晶片的振动速度曲线。
(1)图6a中任意一条为晶片振动位移曲线，可 以看出，在使用方波信号驱动时，可实现双晶片在一 个工作周期内伸长和缩短过程的变化的不同，从而 实现动子的运动，验证了前面的理论分析。
(2)如图6a所示，当驱动信号电压幅值增大 时，晶片的振动位移增大，输出驱动力增大，进而电 机的运动速度增加。即在应用中我们可以通过调节 驱动电路的输出电压值来满足电机的运行速度要 求。
(3)如图6b所示，电机运行速度在某一个频率值处达到****值，即电机有一个****驱动频率，实验测得的****频率在72 kHz左右。当驱动频率降低到30 kHz左右时，电机的速度降为零，应用理论分析计算实验所用电机的临界驱动频率为22 kHz，与实验结果比较接近。
(4)如图6c所示，当占空比由30％逐渐增大到接近50％时，电机运动速度迅速减为零：综合前人的研究成果，存在一个****占空比，约在23％附近。
此外，实验证明，通过改变驱动信号的正负号完全可以实现对电机的正反向运动控制。
4结语
在较高频率下，利用压电双晶片在一个工作周期内先不充分充电后充分放电以实现双晶片伸长和缩短变化率的不同，采用模块化思路设计r可产生频率、电压、占空比可调的方波信号的驱动电路，并制作出一种压电双晶片式惯性冲击直线电机。
利用激光测振仪对方波信号驱动下的电机性能进行了测试，结果表明：使用方波信号驱动可以实现双晶片在两个方向I二的不对称性位移及正反向运动控制；驱动电压增大时电机的运行速度增加；存在一个****驱动信号频率72 kHz；存在一个****驱动信号占空比。因此，在实际使用压电双晶片式惯性冲击电机时，可以通过驱动参数控制来实现电机的运动性能 要求。
