有一個明顯的趨勢是勤家，壓電電機(jī)被越來越多地用作電動機(jī)的替代品，同時也作為新應(yīng)用的合適技術(shù)柳恐。這是因為研發(fā)人員越來越熟悉這項技術(shù)及其優(yōu)勢伐脖。一般來說，壓電電機(jī)分為三種類型：最常見的類型是沖擊驅(qū)動的粘滑壓電電機(jī)乐设；第二類包括步進(jìn)式壓電電機(jī)讼庇，通常用于高推力應(yīng)用。第三種是超聲波或諧振壓電馬達(dá)近尚。這三種類型都有其特定的優(yōu)點(diǎn)和用途蠕啄，可以通過更詳細(xì)地了解工作原理來說明。
壓電馬達(dá)如何工作如庭？
有一個明顯的趨勢是叹卷，壓電電機(jī)被越來越多地用作電動機(jī)的替代品，同時也作為新應(yīng)用的合適技術(shù)坪它。這是因為研發(fā)人員越來越熟悉這項技術(shù)及其優(yōu)勢骤竹。一般來說，壓電電機(jī)分為三種類型：最常見的類型是沖擊驅(qū)動的粘滑壓電電機(jī)往毡；第二類包括步進(jìn)式壓電電機(jī)蒙揣，通常用于高推力應(yīng)用。第三種是超聲波或諧振壓電馬達(dá)开瞭。這三種類型都有其特定的優(yōu)點(diǎn)和用途懒震，可以通過更詳細(xì)地了解工作原理來說明罩息。
粘滑壓電馬達(dá)（慣性壓電）
圖 1 解釋了粘滑壓電電機(jī)的工作原理。示意圖顯示了典型粘滑壓電電機(jī)平臺的各個組件个扰。它由固定在一側(cè)的壓電堆瓷炮、接觸點(diǎn)、滑塊（即運(yùn)動部件）和軸承組成递宅。
圖 1：粘滑壓電電機(jī)的工作原理
在狀態(tài) 2 所示的“粘滯階段”期間，由于電壓緩慢增加办龄，壓電體緩慢延伸烘绽。由于接觸點(diǎn)和滑塊之間的摩擦力，滑塊與移動接觸點(diǎn)一起移動俐填。然后诀姚，通過施加快速降低的電壓，壓電體迅速縮回玷禽，見圖 1 中的狀態(tài) 3赫段。由于滑塊的慣性，它保持靜止矢赁，接觸點(diǎn)滑回其原始位置糯笙。這被稱為“滑動階段”并導(dǎo)致滑塊的凈位移。通過重復(fù)這兩個步驟撩银，實現(xiàn)了宏觀運(yùn)動给涕。
有一種非常相似類型的壓電電機(jī)稱為“慣性”壓電電機(jī)。雖然驅(qū)動信號與粘滑原理相同额获，但慣性電機(jī)沒有滑動觸點(diǎn)够庙。有關(guān)此類電機(jī)的更多信息，請參閱“壓電慣性電機(jī)——?dú)v史抄邀、概念耘眨、設(shè)計、應(yīng)用和前景的批判性回顧”（Hunstig境肾，2017 年）剔难。
粘滑電機(jī)特征：
在平臺滑移階段發(fā)生的沖擊對系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)會產(chǎn)生影響。這會產(chǎn)生振動和噪音奥喻。噪音影響很大偶宫，尤其是當(dāng)人需要在設(shè)備附近操作時甚至?xí)?dǎo)致健康問題』防穑基于沖擊的驅(qū)動機(jī)制也會造成接觸材料大量磨損纯趋，通常會限制此類階段部件的壽命。粘滑電機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)動過程中步長很小，因為重復(fù)性取決于許多操作條件（例如運(yùn)動方向）吵冒，幾乎不可能實現(xiàn)高重復(fù)性唇兑。一些粘滑電機(jī)使用直流掃描模式來實現(xiàn)非常精細(xì)的分辨率。雖然這對于執(zhí)行精細(xì)定位是有效的桦锄，但不可能將最終位置穩(wěn)定在納米級且零漂移，或不給電機(jī)供電蔫耽。最常見的粘滑壓電電機(jī)的速度限制在 20 mm/s 左右结耀。德國帕德博恩大學(xué)的研究人員撰寫了一篇評論論文，對所有市售的粘滑和慣性壓電電機(jī)進(jìn)行了更詳細(xì)的概述匙铡。
步進(jìn)壓電電機(jī)
這類壓電電機(jī)的基本工作原理如圖 2 所示图甜。
圖 2：步進(jìn)壓電電機(jī)的工作原理
典型的步進(jìn)壓電電機(jī)至少由三個壓電執(zhí)行器組成。一些致動器與滑塊接觸（即圖 2 中的致動器 A 和 B）并充當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)鳖眼，而其他致動器用于產(chǎn)生滑塊的平移運(yùn)動（即圖 2 中的 C ）黑毅。
靜止時，壓電致動器 A 和 B 都與滑塊接觸钦讳。在圖 2 中狀態(tài) 1 所示的運(yùn)動循環(huán)開始期間矿瘦，A 縮回，而 B 展開愿卒。只有 B 的接觸點(diǎn)與滑塊保持接觸缚去。C被擴(kuò)展，通過 B的接觸實現(xiàn)滑塊的平移運(yùn)動琼开，如狀態(tài)2所示易结。接下來， A 伸出柜候， B 縮回「愣現(xiàn)在只有 A 與滑塊接觸，見狀態(tài) 3渣刷。隨后鹦肿，C 縮回到其原始位置，產(chǎn)生 4狀態(tài)辅柴。最后狮惜，B 再次伸出，A 縮回碌识，恢復(fù)到第一狀態(tài)的初始狀態(tài)碾篡。
特性：
由于移動機(jī)構(gòu)涉及不同的步驟，壓電步進(jìn)電機(jī)通撤げ停可實現(xiàn)低行進(jìn)速度开泽。此外在步進(jìn)期間，觸點(diǎn)會像其它類型的摩擦接觸一樣磨損魁瞪。然而穆律，壓電步進(jìn)電機(jī)特別容易磨損：良好的運(yùn)行需要嚴(yán)格的控制公差惠呼，所以壓電執(zhí)行器的小行程需要小心地嚴(yán)格相互對齊。因此峦耘，壓電步進(jìn)電機(jī)的使用壽命通常小于其他類型的壓電電機(jī)剔蹋。一個眾所周知且便利的壓電步進(jìn)器配置有四個“腿”，但該電機(jī)總共由 8 個不同的壓電執(zhí)行器組成辅髓。由于需要大量的壓電元件和嚴(yán)格的公差泣崩，這種類型的電機(jī)比粘滑和超聲波壓電電機(jī)更昂貴。
超聲波諧振壓電馬達(dá)
對于這種類型的壓電電機(jī)洛口，滑塊的運(yùn)動是由接觸點(diǎn)的橢圓振動產(chǎn)生的矫付。超聲波壓電馬達(dá)有兩種類型：駐波和行波超聲波壓電馬達(dá)。在行波電機(jī)中第焰，接觸點(diǎn)沿運(yùn)動方向移動买优，不斷向前推動滑塊。相反挺举，駐波電機(jī)具有一個（或幾個）定義的接觸點(diǎn)杀赢。這些接觸點(diǎn)在滑塊上以橢圓軌跡振動，從而產(chǎn)生凈位移湘纵。雖然行波壓電馬達(dá)可以實現(xiàn)很高的推力葵陵，但它們?nèi)菀啄p并且使用壽命有限。因此瞻佛，本文重點(diǎn)介紹駐波型壓電電機(jī)脱篙。
在駐波型的情況下，由于振蕩頻率與電機(jī)結(jié)構(gòu)的兩個共振頻率一致伤柄，因此接觸點(diǎn)的運(yùn)動得到增強(qiáng)绊困。圖 3 顯示了超聲波壓電電機(jī)的共振模式示例，該電機(jī)由 Xeryon 的創(chuàng)始人在比利時魯汶大學(xué)開發(fā)适刀。在第一共振模式中秤朗，接觸點(diǎn)沿切線方向移動，即運(yùn)動方向笔喉。這種模式有時被稱為“彎曲模式”取视。在稱為“正常模式”的第二共振模式中，接觸垂直于運(yùn)動方向振動常挚。
圖 3：超聲波駐波壓電電機(jī)的共振模式
通過仔細(xì)選擇壓電電機(jī)的電驅(qū)動信號作谭，兩種模式同時被激發(fā)，相位差為正負(fù) 90 度奄毡。這導(dǎo)致了接觸點(diǎn)的橢圓振動折欠，如圖 4 所示。除了相位差之外，接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡也可以通過驅(qū)動信號的幅度或頻率來控制锐秦。
圖 4：超聲波壓電電機(jī)接觸點(diǎn)的橢圓振動
特點(diǎn)：
這樣形成的接觸點(diǎn)的橢圓軌跡咪奖，可以使得水平幅度很小，導(dǎo)致運(yùn)動的水平貢獻(xiàn)很小酱床。這導(dǎo)致非常精細(xì)的定位分辨率羊赵，無需額外的準(zhǔn)靜態(tài)掃描模式（通常用于粘滑壓電電機(jī)以實現(xiàn)納米分辨率）。優(yōu)點(diǎn)是超聲波壓電馬達(dá)定位后零漂移扇谣，實現(xiàn)了良好的雙向位置重復(fù)性昧捷。
此外，塑造橢圓軌跡的控制策略使得跟隨滑塊的低但恒定的掃描速度成為可能揍堕。術(shù)語“超聲波”是指振蕩頻率超出人類可聽頻率范圍。這就解釋了為什么這些電機(jī)運(yùn)行無噪音汤纸，當(dāng)操作員在系統(tǒng)附近工作時衩茸，這是一個強(qiáng)大的優(yōu)勢，例如光學(xué)顯微鏡贮泞。此外楞慈，由于操作頻率高，使用超聲波壓電電機(jī)可以實現(xiàn)非常高的運(yùn)動速度啃擦。這種類型的電機(jī)可以通過其在共振下的運(yùn)行來解釋低功耗囊蓝，因此產(chǎn)生低熱量，這在能量上比準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行更有利令蛉。在需要熱穩(wěn)定性的手持設(shè)備和系統(tǒng)中這一點(diǎn)很重要聚霜，例如真空裝置或測量設(shè)備。
最后珠叔，當(dāng)在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下使用時蝎宇，這些電機(jī)可用于長距離和長壽命。與粘滑壓電電機(jī)相比祷安，這可以通過接觸點(diǎn)和滑塊之間的較低影響來解釋姥芥。
不同壓電電機(jī)類型的特點(diǎn)
表 1 總結(jié)了上述三種主要壓電電機(jī)類型的不同特性。
| 超聲波壓電 | 粘滑壓電（慣性） | 步進(jìn)壓電（Stepper piezo /walking piezo） | |
| 速度 | 1000 毫米/秒 | 1 - 3 毫米/秒 | 10 - 20 毫米/秒 |
| 力* | 1 - 5 N | 1 - 10 N | 5 - 20 N |
| 適用場景 | 1納米 | 1納米 | < 1 納米 |
| 行程范圍 | 1 - 300 毫米 | 1 - 50 毫米 | 1 - 50 毫米 |
| 壽命 | 200 - 300 公里 | 10 - 20 公里 | 50 - 100 公里 |
| 振動/噪音 | 振動 > 20 kHz（靜音） | 振動 < 5 kHz（噪聲 + 共振風(fēng)險） | 振動 < 2 kHz（噪聲 + 共振風(fēng)險） |
| 恒定速度 | 平滑 (μm/s) | 鋸齒型 | 步進(jìn)小脈沖 |
| 能量消耗 | 低 | 中等 | 中等 |
* 這是單個電機(jī)的力汇鞭，大小可比凉唐。增加力的一種常見方法是并聯(lián)放置多個電機(jī)。此外霍骄，更大尺寸的電機(jī)可以實現(xiàn)更高的力台囱。
表 1：不同壓電電機(jī)特性的比較
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