壓電超聲電機(jī)（USM）利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，通過高頻結(jié)構(gòu)振動共振模式實現(xiàn)驅(qū)動，具有無齒輪直驅(qū)、響應(yīng)迅速、定位精度高、斷電自鎖、無電磁干擾以及易于微型化等顯著優(yōu)勢，因此在高精度微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人手臂、顯微鏡平臺和精密手術(shù)器械等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。這類電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)每秒數(shù)米的運(yùn)行速度，遠(yuǎn)超其他類型的壓電電機(jī)，如慣性電機(jī)、尺蠖電機(jī)等。盡管其高速性能優(yōu)異，但當(dāng)需要在極低速度下進(jìn)行平穩(wěn)、精確的納米級定位時，傳統(tǒng)的超聲電機(jī)卻面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其根本原因在于，電機(jī)在共振模式下工作時，定子的高頻振動、摩擦界面的接觸-分離動態(tài)以及復(fù)雜的粘滑摩擦效應(yīng)共同導(dǎo)致了強(qiáng)烈的非線性行為。這種非線性使得電機(jī)在開環(huán)控制下極難實現(xiàn)低于1毫米/秒的穩(wěn)定勻速運(yùn)動，速度波動大，且存在控制“死區(qū)”，嚴(yán)重制約了其在需要超低速平滑運(yùn)動場景中的應(yīng)用。

為解決低速穩(wěn)定性問題，研究者們嘗試了多種先進(jìn)控制策略，如模糊PID控制、死區(qū)非線性補(bǔ)償以及雙頻同步驅(qū)動等，這些方法雖在一定程度上提升了低速可控性，但往往依賴復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)，增加了成本和復(fù)雜性，并且對長期、大行程的運(yùn)動穩(wěn)定性報道較少。另一種思路是采用慣性式粘滑驅(qū)動，通過施加鋸齒波電壓，利用壓電體的快速伸縮和負(fù)載慣性來實現(xiàn)微步進(jìn)運(yùn)動，理論上可達(dá)到亞納米級分辨率。但是傳統(tǒng)的慣性電機(jī)通常基于單一的彎曲變形，其機(jī)電耦合效率低，輸出功率有限，且在“滑”階段普遍存在回退現(xiàn)象（backlash），導(dǎo)致運(yùn)動不連續(xù)和速度波動，影響了運(yùn)動的平滑性。此外，隨著摩擦界面因磨損而變得粗糙，基于共振的精密控制變得更加困難。因此，如何設(shè)計一種既能保持超聲電機(jī)高效率、大推力優(yōu)勢，又能無需復(fù)雜閉環(huán)控制即可實現(xiàn)超低速、高平滑度、無回退運(yùn)動的新型驅(qū)動機(jī)制，成為推動高精度壓電電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵難題。

針對上述問題，由南京航空航天大學(xué)與澤攸科技等單位合作，提出了一種基于多層壓電陶瓷的雙機(jī)制直線電機(jī)，通過結(jié)合共振模式下的高頻橢圓運(yùn)動實現(xiàn)高速大推力驅(qū)動，以及非共振模式下的慣性驅(qū)動實現(xiàn)無需閉環(huán)控制的超低速平穩(wěn)運(yùn)動，從而顯著提升了電機(jī)在低速范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和平滑性。相關(guān)成果以“Improvement of low-speed stability in a multilayer piezoelectric linear motor by inertial driving”為題發(fā)表在《Review of Scientific Instruments》期刊上

該論文的核心研究內(nèi)容是開發(fā)并驗證一種新型的多層壓電陶瓷直線電機(jī)，旨在解決傳統(tǒng)壓電超聲電機(jī)在低速運(yùn)行時穩(wěn)定性差、難以實現(xiàn)平滑勻速運(yùn)動的難題。研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的“雙機(jī)制”驅(qū)動策略，將高速共振驅(qū)動與低速非共振慣性驅(qū)動集成于單一電機(jī)結(jié)構(gòu)中。在高速運(yùn)行時，電機(jī)工作在47 kHz的共振模式，通過激發(fā)壓電板的第一縱向（L1）和第二彎曲（B2）模態(tài)，利用其摩擦端的橢圓軌跡運(yùn)動，實現(xiàn)了高達(dá)290 mm/s的快速直線運(yùn)動和超過4.5 N的堵轉(zhuǎn)力，性能可與商用高壓驅(qū)動的同類電機(jī)媲美，且僅需30 Vpp的低電壓驅(qū)動。

圖  通過有限元法（FEM）模擬的矩形壓電板的振動模態(tài)形狀：(a) 面內(nèi)B1模態(tài)，(b) 面內(nèi)B2模態(tài)，(c) L1模態(tài)

當(dāng)需要進(jìn)行超精密的低速定位時，電機(jī)切換到非共振的慣性驅(qū)動模式。通過施加具有快速上升、緩慢下降特性的鋸齒波電壓，利用壓電陶瓷的d31效應(yīng)產(chǎn)生快速的縱向收縮和彎曲變形。這種耦合變形在電壓快速上升的“滑”階段，能瞬時分離摩擦界面，有效抑制了傳統(tǒng)慣性電機(jī)中因摩擦滯后導(dǎo)致的回退現(xiàn)象（backlash）。實驗結(jié)果表明，在45 Vpp的驅(qū)動電壓下，該電機(jī)可以在10 μm/s至超過10 mm/s的寬廣速度范圍內(nèi)，以開環(huán)控制的方式實現(xiàn)極其平穩(wěn)、連續(xù)的運(yùn)動，速度波動極小，顯著提升了低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和平滑度。

圖 多層壓電板的電極結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提升電機(jī)性能，研究還探討了雙定子對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)。通過將兩個相同的定子對稱組裝并同時驅(qū)動滑塊，有效補(bǔ)償了單定子結(jié)構(gòu)因機(jī)械不對稱性導(dǎo)致的正反向運(yùn)動速度差異，大大提高了雙向運(yùn)動的均勻性。研究還分析了負(fù)載對低速步進(jìn)性能的影響，表明在輕載條件下能實現(xiàn)平滑運(yùn)動，但重載會引入速度尖峰，指出了未來改進(jìn)的方向。通過與多種現(xiàn)有壓電電機(jī)的性能對比，該研究設(shè)計的電機(jī)在最大速度、低速平滑性、雙向?qū)ΨQ性和預(yù)緊機(jī)制等方面展現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。

圖 制成的壓電直線電機(jī)的照片

圖 制成的雙定子電機(jī)的照片

該研究通過精巧的機(jī)電設(shè)計，成功地將兩種看似矛盾的驅(qū)動模式融合，創(chuàng)造了一種既能“跑得快”又能“走得穩(wěn)”的多功能壓電電機(jī)。這種雙模式運(yùn)行能力，使其既能滿足高效率的快速移動需求，又能實現(xiàn)無需復(fù)雜閉環(huán)反饋的超低速納米級精密定位，為高精度儀器、生物醫(yī)療設(shè)備和微納操作系統(tǒng)提供了一種極具前景的新型驅(qū)動解決方案。