壓電超聲電機（USM）利用壓電材料的逆壓電效應，通過高頻結構振動共振模式實現驅動，具有無齒輪直驅、響應迅速、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勢，因此在高精度微機電系統、生物醫療設備、機器人手臂、顯微鏡平臺和精密手術器械等領域展現出巨大的應用潛力。這類電機能夠實現高達每秒數米的運行速度，遠超其他類型的壓電電機，如慣性電機、尺蠖電機等。盡管其高速性能優異，但當需要在極低速度下進行平穩、精確的納米級定位時，傳統的超聲電機卻面臨著嚴峻挑戰。其根本原因在于，電機在共振模式下工作時，定子的高頻振動、摩擦界面的接觸-分離動態以及復雜的粘滑摩擦效應共同導致了強烈的非線性行為。這種非線性使得電機在開環控制下極難實現低于1毫米/秒的穩定勻速運動，速度波動大，且存在控制“死區”，嚴重制約了其在需要超低速平滑運動場景中的應用。

為解決低速穩定性問題，研究者們嘗試了多種先進控制策略，如模糊PID控制、死區非線性補償以及雙頻同步驅動等，這些方法雖在一定程度上提升了低速可控性，但往往依賴復雜的閉環控制系統，增加了成本和復雜性，并且對長期、大行程的運動穩定性報道較少。另一種思路是采用慣性式粘滑驅動，通過施加鋸齒波電壓，利用壓電體的快速伸縮和負載慣性來實現微步進運動，理論上可達到亞納米級分辨率。但是傳統的慣性電機通常基于單一的彎曲變形，其機電耦合效率低，輸出功率有限，且在“滑”階段普遍存在回退現象（backlash），導致運動不連續和速度波動，影響了運動的平滑性。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，如何設計一種既能保持超聲電機高效率、大推力優勢，又能無需復雜閉環控制即可實現超低速、高平滑度、無回退運動的新型驅動機制，成為推動高精度壓電電機發展的關鍵難題。

針對上述問題，由南京航空航天大學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制直線電機，通過結合共振模式下的高頻橢圓運動實現高速大推力驅動，以及非共振模式下的慣性驅動實現無需閉環控制的超低速平穩運動，從而顯著提升了電機在低速范圍內的穩定性和平滑性。相關成果以“Improvement of low-speed stability in a multilayer piezoelectric linear motor by inertial driving”為題發表在《Review of Scientific Instruments》期刊上，原文地址：https://doi.org/10.1063/5.0276790

該論文的核心研究內容是開發并驗證一種新型的多層壓電陶瓷直線電機，旨在解決傳統壓電超聲電機在低速運行時穩定性差、難以實現平滑勻速運動的難題。研究團隊提出了一種創新的“雙機制”驅動策略，將高速共振驅動與低速非共振慣性驅動集成于單一電機結構中。在高速運行時，電機工作在47 kHz的共振模式，通過激發壓電板的第一縱向（L1）和第二彎曲（B2）模態，利用其摩擦端的橢圓軌跡運動，實現了高達290 mm/s的快速直線運動和超過4.5 N的堵轉力，性能可與商用高壓驅動的同類電機媲美，且僅需30 Vpp的低電壓驅動。

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

當需要進行超精密的低速定位時，電機切換到非共振的慣性驅動模式。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效應產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，有效抑制了傳統慣性電機中因摩擦滯后導致的回退現象（backlash）。實驗結果表明，在45 Vpp的驅動電壓下，該電機可以在10 μm/s至超過10 mm/s的寬廣速度范圍內，以開環控制的方式實現極其平穩、連續的運動，速度波動極小，顯著提升了低速運行的穩定性和平滑度。

圖 多層壓電板的電極結構

為了進一步提升電機性能，研究還探討了雙定子對稱驅動結構。通過將兩個相同的定子對稱組裝并同時驅動滑塊，有效補償了單定子結構因機械不對稱性導致的正反向運動速度差異，大大提高了雙向運動的均勻性。研究還分析了負載對低速步進性能的影響，表明在輕載條件下能實現平滑運動，但重載會引入速度尖峰，指出了未來改進的方向。通過與多種現有壓電電機的性能對比，該研究設計的電機在最大速度、低速平滑性、雙向對稱性和預緊機制等方面展現出綜合優勢。

圖 制成的壓電直線電機的照片

圖 制成的雙定子電機的照片

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