Пьезоэлектрические ультразвуковые двигатели (USM) используют обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических материалов и осуществляют привод за счёт резонансных режимов высокочастотных колебаний конструкции. Они обладают рядом существенных преимуществ: прямым приводом без зубчатой передачи, быстрым откликом, высокой точностью позиционирования, самоблокировкой при отключении питания, отсутствием электромагнитных помех и лёгкостью миниатюризации. Благодаря этим свойствам они демонстрируют огромный потенциал применения в таких областях, как высокоточные микроэлектромеханические системы, биомедицинское оборудование, роботизированные манипуляторы, микроскопические платформы и прецизионные хирургические инструменты. Эти двигатели способны развивать скорость до нескольких метров в секунду, что значительно превосходит другие типы пьезоэлектрических двигателей, такие как инерционные или червеобразные двигатели. Однако, несмотря на выдающиеся скоростные характеристики, при необходимости обеспечения плавного и точного нанометрового позиционирования на крайне низких скоростях традиционные ультразвуковые двигатели сталкиваются с серьёзными трудностями. Основная причина заключается в том, что при работе в резонансном режиме высокочастотные колебания статора, динамика контакта‑разъединения на трениях и сложные явления адгезионно‑скользящего трения совместно порождают выраженную нелинейность. Эта нелинейность делает крайне затруднительным поддержание стабильного равномерного движения со скоростью ниже 1 мм/с в режиме управления по открытому контуру; наблюдаются значительные колебания скорости и так называемая «мертвая зона» управления, что серьёзно ограничивает применение таких двигателей в задачах, требующих сверхнизкоскоростного плавного перемещения.

Для решения проблемы устойчивости на низких скоростях исследователи опробовали различные передовые методы управления, такие как нечёткое ПИД‑управление, компенсация нелинейностей в зоне мёртвого хода и двухчастотное синхронное приведение в движение. Хотя эти подходы в той или иной степени повышают управляемость на низких скоростях, они зачастую опираются на сложные замкнутые системы регулирования, что увеличивает стоимость и усложняет конструкцию; кроме того, имеется недостаточно данных о долгосрочной стабильности движения на больших ходах. Другой подход заключается в использовании инерционного трения‑скольжения: при подаче напряжения в виде пилообразного сигнала быстрое сжатие‑расширение пьезоэлемента совместно с инерцией нагрузки обеспечивают микроступенчатое перемещение, теоретически достигая разрешения на уровне поднанометра. Однако традиционные инерционные двигатели обычно основаны на одном типе изгибных деформаций; их электромеханическая связь характеризуется низкой эффективностью, выходная мощность ограничена, а на этапе «скольжения» практически неизбежно проявляется люфт — явление, приводящее к прерывистости движения и колебаниям скорости, что снижает его плавность. Кроме того, по мере того как трение между контактными поверхностями становится более шероховатым вследствие износа, точное управление на основе резонанса становится ещё более затруднительным. Таким образом, ключевой задачей для дальнейшего развития высокоточных пьезоэлектрических двигателей является разработка нового типа привода, который одновременно сохранял бы высокую эффективность и большую силу тяги ультразвуковых двигателей, обеспечивая при этом сверхнизкие скорости, высокую плавность и отсутствие люфта без необходимости применения сложных замкнутых систем управления.

В ответ на указанные выше проблемы Нанкинский университет авиации и космонавтики совместно с компанией «ZEPTOOLS» и другими организациями… Был предложен линейный двигатель с двойным механизмом, основанный на многослойной пьезокерамике; за счёт сочетания высокочастотного эллиптического движения в резонансном режиме, обеспечивающего высокоскоростное движение с большим тяговым усилием, и инерционного привода в безрезонансном режиме, позволяющего достигать сверхнизкой скорости при отсутствии замкнутого контура управления, удалось существенно повысить стабильность и плавность работы двигателя в низкоскоростном диапазоне. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Review of Scientific Instruments под заголовком «Улучшение стабильности на низких скоростях в многослойном пьезоэлектрическом линейном двигателе за счёт инерционного привода»; оригинальная версия статьи доступна по адресу: https:// doi.org/10.1063/5.0276790

Основным объектом исследования данной работы является разработка и экспериментальная проверка нового многослойного линейного пьезокерамического двигателя, призванного решить проблему низкой стабильности и трудностей достижения плавного равномерного движения на низких скоростях, характерных для традиционных пьезоэлектрических ультразвуковых двигателей. Исследовательская группа предложила инновационную «двухмеханизмную» стратегию привода, объединяющую высокоскоростной резонансный режим и низкоскоростной безрезонансный инерционный режим в рамках единой конструкции двигателя. При работе на высоких частотах двигатель функционирует в резонансном режиме с частотой 47 кГц; за счёт возбуждения первого продольного (L1) и второго изгибного (B2) модов пьезопластины, а также использования эллиптического движения его трения‑конца достигаются высокие скорости прямолинейного перемещения — до 290 мм/с — и момент блокировки свыше 4,5 Н·м. Полученные характеристики сопоставимы с аналогичными параметрами коммерческих двигателей, работающих от высокого напряжения, при этом для питания требуется лишь низкое напряжение — 30 Вpp.

Рис. Формы мод вибрации прямоугольной пьезоэлектрической пластины, моделируемые методом конечных элементов (FEM): (a) внутрискладчатая мода B1, (b) внутрискладчатая мода B2, (c) мода L1.

При необходимости выполнения сверхточного позиционирования на низких скоростях двигатель переключается в инерционный режим привода, исключающий резонанс. За счёт подачи напряжения в форме зубчатой волны с быстрым нарастанием и медленным спадом, благодаря эффекту d31 пьезокерамических элементов создаётся быстрое продольное сжатие и изгибное деформирование. Такое совместное деформирование в «скользящей» фазе быстрого нарастания напряжения мгновенно разрывает трение между контактными поверхностями, эффективно подавляя явление люфта, возникающее в традиционных инерционных двигателях вследствие трения и его гистерезиса. Экспериментальные результаты показывают, что при амплитуде управляющего напряжения 45 Вpp данный двигатель способен в широком диапазоне скоростей от 10 мкм/с до свыше 10 мм/с обеспечивать крайне плавное и непрерывное движение в режиме управления по открытому контуру, с минимальными колебаниями скорости, что существенно повышает стабильность и плавность работы на низких скоростях.

Рис. Структура электродов многослойной пьезоэлектрической пластины

В целях дальнейшего повышения характеристик электродвигателя в исследовании также рассмотрена симметричная конструкция двойного статора с симметричным приводом. За счёт симметричной сборки двух одинаковых статоров и одновременного приведения в движение скользящего элемента удается эффективно компенсировать разницу скоростей прямого и обратного хода, обусловленную механической асимметрией в одностаторной конструкции, что существенно улучшает равномерность двунаправленного движения. Кроме того, в работе проанализировано влияние нагрузки на характеристики шагового движения на низких скоростях: при лёгких нагрузках обеспечивается плавное движение, тогда как тяжёлая нагрузка приводит к возникновению скачков скорости, что указывает на направления дальнейших усовершенствований. Сравнение с рядом существующих пьезоэлектрических двигателей показало, что разработанный в данном исследовании двигатель демонстрирует комплексные преимущества по таким параметрам, как максимальная скорость, плавность хода на низких скоростях, симметрия двунаправленного движения и механизм предварительного натяжения.

Фотография пьезоэлектрического линейного двигателя, изготовленного по схеме.

Фотография двойного статорного электродвигателя, изготовленного по представленной схеме.

В данном исследовании благодаря продуманной электромеханической конструкции удалось успешно объединить два, на первый взгляд противоположных, режима привода, создав многофункциональный пьезоэлектрический двигатель, способный одновременно «быстро бегать» и «устойчиво ходить». Такая возможность работы в двух режимах позволяет ему не только удовлетворять требованиям высокой эффективности при быстром перемещении, но и обеспечивать сверхнизкоскоростное наноразрешённое позиционирование без необходимости сложной замкнутой обратной связи, что открывает перспективы для создания нового, крайне перспективного решения в области приводов для высокоточных приборов, биомедицинского оборудования и микро‑наносистем управления.