壓電超聲電機(jī)（USM）利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)共振模式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，具有無(wú)齒輪直驅(qū)、響應(yīng)迅速、定位精度高、斷電自鎖、無(wú)電磁干擾以及易于微型化等顯著優(yōu)勢(shì)，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(tái)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(jí)定位時(shí)，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(shí)，定子的高頻振動(dòng)、摩擦界面的接觸-分離動(dòng)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(shí)現(xiàn)低于1毫米/秒的穩(wěn)定勻速運(yùn)動(dòng)，速度波動(dòng)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(dòng)場(chǎng)景中的應(yīng)用。

為解決低速穩(wěn)定性問(wèn)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(dòng)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(duì)長(zhǎng)期、大行程的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性報(bào)道較少。另一種思路是采用慣性式粘滑驅(qū)動(dòng)，通過(guò)施加鋸齒波電壓，利用壓電體的快速伸縮和負(fù)載慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，理論上可達(dá)到亞納米級(jí)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(dòng)不連續(xù)和速度波動(dòng)，影響了運(yùn)動(dòng)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(jì)一種既能保持超聲電機(jī)高效率、大推力優(yōu)勢(shì)，又能無(wú)需復(fù)雜閉環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)超低速、高平滑度、無(wú)回退運(yùn)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)機(jī)制，成為推動(dòng)高精度壓電電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵難題。

針對(duì)上述問(wèn)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(guò)結(jié)合共振模式下的高頻橢圓運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速大推力驅(qū)動(dòng)，以及非共振模式下的慣性驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)需閉環(huán)控制的超低速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，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，原文地址：https://doi.org/10.1063/5.0276790

該論文的核心研究?jī)?nèi)容是開發(fā)并驗(yàn)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(shí)穩(wěn)定性差、難以實(shí)現(xiàn)平滑勻速運(yùn)動(dòng)的難題。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的“雙機(jī)制”驅(qū)動(dòng)策略，將高速共振驅(qū)動(dòng)與低速非共振慣性驅(qū)動(dòng)集成于單一電機(jī)結(jié)構(gòu)中。在高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)工作在47 kHz的共振模式，通過(guò)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)290 mm/s的快速直線運(yùn)動(dòng)和超過(guò)4.5 N的堵轉(zhuǎn)力，性能可與商用高壓驅(qū)動(dòng)的同類電機(jī)媲美，且僅需30 Vpp的低電壓驅(qū)動(dòng)。

圖  通過(guò)有限元法（FEM）模擬的矩形壓電板的振動(dòng)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(shí)，電機(jī)切換到非共振的慣性驅(qū)動(dòng)模式。通過(guò)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在45 Vpp的驅(qū)動(dòng)電壓下，該電機(jī)可以在10 μm/s至超過(guò)10 mm/s的寬廣速度范圍內(nèi)，以開環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)極其平穩(wěn)、連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，速度波動(dòng)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(duì)稱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)將兩個(gè)相同的定子對(duì)稱組裝并同時(shí)驅(qū)動(dòng)滑塊，有效補(bǔ)償了單定子結(jié)構(gòu)因機(jī)械不對(duì)稱性導(dǎo)致的正反向運(yùn)動(dòng)速度差異，大大提高了雙向運(yùn)動(dòng)的均勻性。研究還分析了負(fù)載對(duì)低速步進(jìn)性能的影響，表明在輕載條件下能實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動(dòng)，但重載會(huì)引入速度尖峰，指出了未來(lái)改進(jìn)的方向。通過(guò)與多種現(xiàn)有壓電電機(jī)的性能對(duì)比，該研究設(shè)計(jì)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(shì)。

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(guò)精巧的機(jī)電設(shè)計(jì)，成功地將兩種看似矛盾的驅(qū)動(dòng)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(dòng)需求，又能實(shí)現(xiàn)無(wú)需復(fù)雜閉環(huán)反饋的超低速納米級(jí)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(dòng)解決方案。