压电致动器
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研究历史
从2006年开始，实验室开始了关于压电致动器的研究，并一直持续到现在。期间研究并发明了各种压电致动器，毕业了六名博士，潘成亮、马玉婷、贺良国、颜刚毅、张杰和潘巧生，还毕业了八名硕士，韩文香、芦志强、黄亮、巴学杰、张康、金学健、常静静和周妍宁。
方向简介
压电马达适应了当今工业和高科技领域对高精密自动化控制的需求，广泛应用于航空航天、生物医疗、显微探测、智能机器人及其它精密仪器等领域。压电马达从 20世纪 80年代了兴起到现在，新原理新结构层出不穷开，已成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。
压电马达是通过压电体的压电振动把电能转化为机械能的新型换能机构，一般的压电马达主要依靠压电定子振动，通过摩擦传动驱动转子旋转或者直线运动。与传统电机相比，压电马达具有尺寸小、力矩大、结构紧凑、低速、无电磁干扰、断电自锁等优点，其也存在效率低、磨损严重等缺点，同时由于压电材料自身的迟滞与非线性等特性，基于压电致动器的微定位系统的性能往往受到很大限制。
研究成果
潘成亮博士（2008级）就新型的基于螺旋电极结构的压电纤维、压电圆柱和压电圆片扭转驱动器结构进行了深入的理论分析和实验研究，并探索了其在压电旋转马达、光学扫描镜等方面的应用。他首次提出一种表面缠绕螺旋电极结构的压电纤维扭转驱动器，是当时已知国际上最小的压电扭转驱动器。
马玉婷博士（2009级）研究了压电管式复合驱动器及其应用。她将压电陶瓷管与基质材料复合，制成压电管式复合驱动器。除了具有传统压电复合物的优点之外，压电管式复合物所需的极化和驱动电压低，能够与导体基质复合，每个压电陶瓷管可以独立控制，电场利用率高，易于完成多模式驱动。。
贺良国博士（2010级）主要研究了基于同步箝位控制与周期机械波合成的压电马达。现有的压电马达存在效率低、磨损严重等问题。基于这些问题他首次提出一种同步箝位控制与周期机械波合成的压电马达研究方法。同步箝位控制原理结合了压电超声马达的谐振驱动和尺蠖马达的控制机理两个特点，克服了两者的缺点：压电超声马达工作过程中存在滑动摩擦和尺蠖马达准静态工作频率较低，提高压电马达的综合性能。
颜刚毅博士（2012级）研宄的是扫描探针显微镜中的高速致动器。他发现在高速扫描的过程中，高速致动器会产生很大的高频惯性力，并传导给支撑结构，引起结构的共振及其它不必要的振动，这些振动反过来会影响致动器本身的带宽，如果未加处理，则最终的工作频率将被致动器的安装结构的低频模态所限制。他首先提出了一种补偿惯性力的控制方法，在双致动器对称结构中，通过调节对称结构中的两个致动器之间的电压关系，来补偿不平衡的质量所引起的额外的惯性力。实验结果显示，当结构中存在不平衡质量时，支撑体的振动仍然可以得到很好的抑制，振动抑制的效果可以与传统的质量调节方法相媲美。
张杰博士（2012级）探索了原子力显微镜压电扫描器中的新型电荷驱动方法研究与应用。他在前人研究的基础上对用于压电致动器的两种新型驱动方法：开关电容电荷泵方法与结合应变反馈和电荷放大的混合驱动方法，进行了详细的理论分析与实验验证，并实现了两种方法在原子力显微镜中的应用。
潘巧生博士（2013级）主要的研究的是基于偏心轮受迫振动的压电马达。传统的压电马达存在磨损严重，输出功率小，效率低等一系列问题，为了从根本上解决这些问题，探索新型原理的压电马达，彻底摆脱其对摩擦力的依赖，他首次提出一种新型原理的压电马达；基于偏也轮受迫振动的压电马达，并完成了对其从理论设计、制造装配到实验研巧和应用探讨的一系列工作。其设计的偏心轮最小的1#偏心轮，实验测试获得速度髙达15000rpm，这是目前文献可见的压电马达最高速度。
廖昕昕博士（2020级）研究发了为一种典型的机电耦合设备，压电马达的运动特性受到质量和刚度分布的影响。首次在压电马达领域提出振动质量隔离的思想，通过引入振动滤波器可控地调整压电马达的质量和刚度分布，以此达到改善现有压电马达的运动特性，提高运行效率的目标。
韩文香硕士（2006级）设计了基于螺旋电极扭转驱动器的冲击式旋转压电马达。她设计的冲击马达原型中使用的扭转驱动器长 15mm，直径 1mm。马达原型使用锯齿波驱动，可以实现正反转。实验测得马达在驱动电压幅度峰－峰值为 600V、驱动频率为 8kHz时获得最大转速，最大转速为 90rmp，在 1000V、3kHz时获得最大堵转力矩 80μNm。
芦志强硕士（2007级）设计了一种螺旋叉指电极的压电圆盘扭转致动器。受压电纤维扭转结构的启发，他研制出一种能够提供扭转压电圆盘致动器。在 225.6kHz谐振点，振幅为 10Vp-p的正旋激励可以产生幅度为 0.0184°的扭转运动。在谐振频率 152kHz处，扭转角仅为 0.0021°，约为最大扭转角的 1/9。在谐振频率 81.2kHz处,扭转角为0.00086°。
黄亮硕士（2008级）研究了电荷泵在压电致动器驱动中的应用。因为压电陶瓷本身存在的迟滞蠕变等非线性特征，这在很大程度上影响着压电陶瓷的定位精度与准确度。为解决这一问题，黄亮利用压电陶瓷位移与电荷成正比的特性，设计了一种新颖独特的电路结构：采用开关电容式电荷泵的方法消除压电陶瓷的迟滞和蠕变。通过这种方法能够使得蠕变特性相对于传统的电压驱动误差减小 77%。
巴学杰硕士（2013级）研究了基于分时驱动的方法压电堆响应速度。快速响应是压电驱动器最主要的优点之一，目前关于压电驱动器的研究都是基于同时驱动结构即同时激励压电堆中所有的压电层。他认为这种驱动结构将压电堆看作一个整体，而忽略了在高频驱动时压电堆内部应力波传播对压电堆输出的影响。因此他提出了一种分时驱动方法，通过考虑压电堆中应力波传巧规律，分时依次地激励压电堆中各压电层，使各层产生的应力波同时传播到压电堆顶端实现线性叠加，从而大幅度提髙压电堆的响应速度。实验结果证明，分时驱动方法下压电堆的响应速度是同时驱动下的2.67倍。
张康硕士（2014级）研究了电荷驱动在压电高速驱动平台中的应用。在设计高速驱动平台的过程中，普遍存在一个问题：驱动平台整体结构的谐振频率经常低于致动器本身的谐振频率。为了消除支撑结构的低频模态对致动器性能的影响，需要补偿致动器在驱动过程中传到基座上的惯性力。对于新颖的非对称驱动结构，由于压电材料存在动态迟滞，采用电压驱动的方式解决上述问题，会导致惯性力补偿效果不理想。张康介绍使用电荷驱动代替传统的电压驱动，并设计了二阶低通滤波器和减法电路实现了高速级和低速级的连接。测量了二级压电堆在1 kHz到60 kHz之间的频响特性，结果表明：二级压电堆的频响曲线在所测区间内相对比较平缓，低速级大的谐振峰被低通滤波器很好地抑制了。
金学健（2015级）主要的研究是微型压电致动器驱动电源。他针对压电惯性电机和行波超声电机这两种小型化的电机驱动进行了研究。他提出一种新的、间歇激励的调速方式，可让行波电机工作在步进方式，不仅速度调整范围宽、线性好，同时具有定位精度高的特点。
常静静硕士（2016级）主要研究基于柔性驱动足的并联型压电电机。因为并联型电机中各驱动足之间的相互干扰，使得电机工作效率下降，限制了电机的最大输出功率。为了改善并联型足式电机的工作效率以及进一步提高输出功率，她提出了柔性驱动足定子结构。其制作的六驱动足并联直线电机，在30ｋＨｚ、25Vpp激励下，其最大输出速度达到103ｍｍ/ｓ，最大输出力为1.2Ｎ。
周妍宁（2016级）研究了基于悬浮振子的高功率密度超声行波电机。超声行波电机是一种利用压电材料的逆压电效应，在定子上激励出行波，通过定子与转子之间的摩擦耦合使转子产生旋转或直线的运动，从而输出功率驱动负载的电机。她提出一种使用压电堆激励的悬浮式振子结构，提高了电机的输出功率。实验结果表明，对于使用了４个尺寸为1.68×1.68×5.0mm3的压电堆激励的振子，在峰峰值为30Ｖ的激励电压下，振子最大自由振动峰峰值为4.25μm，是非悬浮状态下的4.7倍。在不增大体积的条件下使用更多压电堆激励，电机的输出功率可以成倍提高。
