针对精密仪器及微小型设备对线性微进给驱动马达的需求，该文设计了一种封闭式柱形微型惯性冲击压电马达，并验证了马达工作原理的可行性。制作出马达样机并进行实验测试，结果表明，施加预紧力为0.25 N，驱动信号锯齿波电压峰-峰值为50 V，频率为500 Hz时，马达空载输出最大速度为6.19 mm/s，步进分辨率为12 μm；施加预紧力为0.5 N，驱动信号电压峰-峰值为50 V，频率为500 Hz时，最大负载为20 g。

针对现有压电振子驱动的共振隔膜泵中存在隔膜往复运动位移及位移放大比小的问题，该文设计出一种可应用于共振隔膜泵的大位移压电叠堆执行器，利用压电叠堆作电-机转换器，提高其响应速度，采用矩形弹簧结构，保证系统稳定性，提高系统的一阶固有频率。建立压电叠堆执行器的数学模型，并分析了系统的位移放大比和各阶固有频率，测试了样机的相关性能。实验结果表明，在输入激励信号幅值60 V、频率510 Hz的正弦信号下，该压电叠堆执行器输出位移为154 μm，位移放大倍数为18.11倍，研制的压电叠堆执行器具有较高的响应速度及较大的输出位移，可用于提升共振隔膜泵的输出性能。

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点, 并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成, 定子在交变激励信号下产生行波振动, 并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机, 并搭建了实验平台。测试结果表明, 电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时, 电机最大输出转速为42.55 r/min, 输出扭矩为0.8 N·m。

针对压电叠堆作动器的率相关迟滞非线性特性, 该文提出了一种基于asymmetric unilateral backlash(aubacklash）算子的BP神经网络率相关迟滞建模方法。首先提出了改进的aubacklash算子, 改善了Prandtl-Ishlinskii(PI）模型backlash算子在原点处残余位移及严格中心对称的问题; 其次分析了压电叠堆作动器迟滞的率相关记忆特性, 提出了率相关BP神经网络迟滞模型; 最后搭建了迟滞建模精度评估系统, 采用Levenberg-Marquardt(L-M）算法辨识aubacklash算子模型参数, 确定了BP神经网络模型最优结构参数。实验结果表明, 在高、低单一频率及混合频率下, BP神经网络模型较PI模型均方误差降低了70.90%~89.98%, 相对误差降低了70.69%~89.84%, 验证了该模型的精度与频率适应性。

通过分析压电叠堆的工作特性，设计了一种以高压运放PA41为核心器件的电压控制型压电叠堆驱动电源。阐述了两种驱动电路方法并选择合适的方案，分析了驱动电路原理并完成电路元器件选型。最后搭建实验平台对驱动电源进行实验测试，分析其输出特性曲线及输出误差的原因。实验结果表明，此电源调节方便，响应迅速，能有效应用于压电叠堆的驱动控制。

该文设计了一种径向双压电叠堆执行器, 可以实现单压电或双压电叠堆驱动, 在不增加轴向长度的基础上实现输出位移的放大。针对该执行器, 建立了基于Bouc-Wen的压电动态迟滞力模型作为执行器整体动力学模型力的输入; 在MATLAB/Simulink中, 基于最小二乘法对迟滞力模型中的参数进行辨识。仿真与实验结果表明, 在峰-峰值140 V、直流偏置70 V的激励信号下, 两根长为18 mm的压电叠堆在复合驱动下能输出约55 μm的位移, 实现了执行器的位移放大输出且在高频下无明显衰减; 所建立的执行器动态迟滞模型很好地描述了单压电或双压电叠堆在1~600 Hz驱动频率下的电压-位移滞环曲线。在驱动频率为600 Hz时, 双压电复合驱动的模型最大均方根误差为1.13 μm, 最大相对误差为6.1%, 为大位移、高精度的执行器控制提供了基础。

针对双压电二维叠堆执行器的输出迟滞性问题, 该文设计了一种双压电复合控制方法。先建立执行器数学模型并完成参数辨识,再结合非对称Bouc-Wen模型与增量微分、积分及比例(PID)模型, 完成复合控制模型的建立, 最后基于数字信号处理(DSP)控制器完成前馈控制、增量PID控制与复合控制的实验对比。结果表明, 该复合控制方法能有效抑制执行器的输出迟滞性, 当驱动电压峰-峰值为96 V, 频率为500 Hz时, 执行器滞环率仅为未控制时滞环率的31.6%, 远低于前馈控制时滞环率(74.2%)及增量PID控制时滞环率(167.8%)。

为解决压电直线作动器在受到拉力和压力负载时的驱动问题, 本文提出了一种双向压电直线作动器。该作动器主要采用双向螺旋箝位原理, 实现双向大推力作动。结构上, 将两个压电叠堆对称布局, 梯形丝杠螺母组成螺旋箝位, 匹配二者驱动时序实现压力和拉力下的驱动。为研究双向尺蠖驱动机理, 设计了双向螺旋箝位机构和作动器总体结构; 而螺旋箝位作为尺蠖驱动的关键因素, 为了准确地表达箝位的可靠性, 研究了力矩电机与柔性联轴器及压电叠堆的匹配关系, 并通过ANSYS软件对箝位功能进行了仿真分析。设计加工的样机机身总长为233 mm, 最大外径为63 mm, 质量为1.1 kg。搭建样机的测试系统, 试验表明: 该作动器的最大输出力可达190 N, 最高速度可达2.58 mm/s, 行程为60 mm。

为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求, 本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座, 并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子, 安装在平台基座底部, 通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置, 就可以改变定子与移动台间的预压力, 进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理, 分析各参数对平台运动的影响, 进行了力学建模; 而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素, 为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理, 在力学建模中引入了LuGre摩擦模型, 并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40 mm×40 mm×18 mm, 质量为32 g。试验表明: 该平台最小可实现10 nm的运动步长, 速度最高可达2.5 mm/s, 行程为22 mm。

为实现精密机械装置的快速定位, 增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力, 提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先, 对电机的作动原理进行分析, 推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能, 对直圆型柔性铰链的参数进行了优化, 得到最佳铰链参数为厚度th=0.2 mm、切割半径Rh=1 mm和宽度bh=10 mm。最后, 制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试, 基于正交试验方法对电机速度进行了分析, 得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明, 驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75 μm和63 μm附近波动, 差值约为12 μm; 在120 V、110 Hz的信号激励下速度达16.163 mm/s, 最大负载能力为1.7 N。与现有的压电直线电机相比较, 该电机结构简单, 易于安装调试, 具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。