压电超声电机（USM）利用压电材料的逆压电效应，通过高频结构振动共振模式实现驱动，具有无齿轮直驱、响应迅速、定位精度高、断电自锁、无电磁干扰以及易于微型化等显著优势，因此在高精度微机电系统、生物医疗设备、机器人手臂、显微镜平台和精密手术器械等领域展现出巨大的应用潜力。这类电机能够实现高达每秒数米的运行速度，远超其他类型的压电电机，如惯性电机、尺蠖电机等。尽管其高速性能优异，但当需要在极低速度下进行平稳、精确的纳米级定位时，传统的超声电机却面临着严峻挑战。其根本原因在于，电机在共振模式下工作时，定子的高频振动、摩擦界面的接触-分离动态以及复杂的粘滑摩擦效应共同导致了强烈的非线性行为。这种非线性使得电机在开环控制下极难实现低于1毫米/秒的稳定匀速运动，速度波动大，且存在控制“死区”，严重制约了其在需要超低速平滑运动场景中的应用。
为解决低速稳定性问题，研究者们尝试了多种先进控制策略，如模糊PID控制、死区非线性补偿以及双频同步驱动等，这些方法虽在一定程度上提升了低速可控性，但往往依赖复杂的闭环控制系统，增加了成本和复杂性，并且对长期、大行程的运动稳定性报道较少。另一种思路是采用惯性式粘滑驱动，通过施加锯齿波电压，利用压电体的快速伸缩和负载惯性来实现微步进运动，理论上可达到亚纳米级分辨率。但是传统的惯性电机通常基于单一的弯曲变形，其机电耦合效率低，输出功率有限，且在“滑”阶段普遍存在回退现象（backlash），导致运动不连续和速度波动，影响了运动的平滑性。此外，随着摩擦界面因磨损而变得粗糙，基于共振的精密控制变得更加困难。因此，如何设计一种既能保持超声电机高效率、大推力优势，又能无需复杂闭环控制即可实现超低速、高平滑度、无回退运动的新型驱动机制，成为推动高精度压电电机发展的关键难题。
针对上述问题，由南京航空航天大学与泽攸科技等单位合作，提出了一种基于多层压电陶瓷的双机制直线电机，通过结合共振模式下的高频椭圆运动实现高速大推力驱动，以及非共振模式下的惯性驱动实现无需闭环控制的超低速平稳运动，从而显著提升了电机在低速范围内的稳定性和平滑性。相关成果以“Improvement of low-speed stability in a multilayer piezoelectric linear motor by inertial driving”为题发表在《Review of Scientific Instruments》期刊上
该论文的核心研究内容是开发并验证一种新型的多层压电陶瓷直线电机，旨在解决传统压电超声电机在低速运行时稳定性差、难以实现平滑匀速运动的难题。研究团队提出了一种创新的“双机制”驱动策略，将高速共振驱动与低速非共振惯性驱动集成于单一电机结构中。在高速运行时，电机工作在47 kHz的共振模式，通过激发压电板的第一纵向（L1）和第二弯曲（B2）模态，利用其摩擦端的椭圆轨迹运动，实现了高达290 mm/s的快速直线运动和超过4.5 N的堵转力，性能可与商用高压驱动的同类电机媲美，且仅需30 Vpp的低电压驱动。
图 通过有限元法（FEM）模拟的矩形压电板的振动模态形状：(a) 面内B1模态，(b) 面内B2模态，(c) L1模态
当需要进行超精密的低速定位时，电机切换到非共振的惯性驱动模式。通过施加具有快速上升、缓慢下降特性的锯齿波电压，利用压电陶瓷的d31效应产生快速的纵向收缩和弯曲变形。这种耦合变形在电压快速上升的“滑”阶段，能瞬时分离摩擦界面，有效抑制了传统惯性电机中因摩擦滞后导致的回退现象（backlash）。实验结果表明，在45 Vpp的驱动电压下，该电机可以在10 μm/s至超过10 mm/s的宽广速度范围内，以开环控制的方式实现极其平稳、连续的运动，速度波动极小，显著提升了低速运行的稳定性和平滑度。
图 多层压电板的电极结构
为了进一步提升电机性能，研究还探讨了双定子对称驱动结构。通过将两个相同的定子对称组装并同时驱动滑块，有效补偿了单定子结构因机械不对称性导致的正反向运动速度差异，大大提高了双向运动的均匀性。研究还分析了负载对低速步进性能的影响，表明在轻载条件下能实现平滑运动，但重载会引入速度尖峰，指出了未来改进的方向。通过与多种现有压电电机的性能对比，该研究设计的电机在最大速度、低速平滑性、双向对称性和预紧机制等方面展现出综合优势。
图 制成的压电直线电机的照片
图 制成的双定子电机的照片
该研究通过精巧的机电设计，成功地将两种看似矛盾的驱动模式融合，创造了一种既能“跑得快”又能“走得稳”的多功能压电电机。这种双模式运行能力，使其既能满足高效率的快速移动需求，又能实现无需复杂闭环反馈的超低速纳米级精密定位，为高精度仪器、生物医疗设备和微纳操作系统提供了一种极具前景的新型驱动解决方案。
