有一个明显的趋势是，压电电机被越来越多地用作电动机的替代品，同时也作为新应用的合适技术。这是因为研发人员越来越熟悉这项技术及其优势。一般来说，压电电机分为三种类型：最常见的类型是冲击驱动的粘滑压电电机；第二类包括步进式压电电机，通常用于高推力应用。第三种是超声波或谐振压电马达。这三种类型都有其特定的优点和用途，可以通过更详细地了解工作原理来说明。
压电马达如何工作？
有一个明显的趋势是，压电电机被越来越多地用作电动机的替代品，同时也作为新应用的合适技术。这是因为研发人员越来越熟悉这项技术及其优势。一般来说，压电电机分为三种类型：最常见的类型是冲击驱动的粘滑压电电机；第二类包括步进式压电电机，通常用于高推力应用。第三种是超声波或谐振压电马达。这三种类型都有其特定的优点和用途，可以通过更详细地了解工作原理来说明。
粘滑压电马达（惯性压电）
图 1 解释了粘滑压电电机的工作原理。示意图显示了典型粘滑压电电机平台的各个组件。它由固定在一侧的压电堆、接触点、滑块（即运动部件）和轴承组成。
图 1：粘滑压电电机的工作原理
在状态 2 所示的“粘滞阶段”期间，由于电压缓慢增加，压电体缓慢延伸。由于接触点和滑块之间的摩擦力，滑块与移动接触点一起移动。然后，通过施加快速降低的电压，压电体迅速缩回，见图 1 中的状态 3。由于滑块的惯性，它保持静止，接触点滑回其原始位置。这被称为“滑动阶段”并导致滑块的净位移。通过重复这两个步骤，实现了宏观运动。
有一种非常相似类型的压电电机称为“惯性”压电电机。虽然驱动信号与粘滑原理相同，但惯性电机没有滑动触点。有关此类电机的更多信息，请参阅“压电惯性电机——历史、概念、设计、应用和前景的批判性回顾”（Hunstig，2017 年）。
粘滑电机特征：
在平台滑移阶段发生的冲击对系统的力学状态会产生影响。这会产生振动和噪音。噪音影响很大，尤其是当人需要在设备附近操作时甚至会导致健康问题。基于冲击的驱动机制也会造成接触材料大量磨损，通常会限制此类阶段部件的寿命。粘滑电机的特点是运动过程中步长很小，因为重复性取决于许多操作条件（例如运动方向），几乎不可能实现高重复性。一些粘滑电机使用直流扫描模式来实现非常精细的分辨率。虽然这对于执行精细定位是有效的，但不可能将最终位置稳定在纳米级且零漂移，或不给电机供电。最常见的粘滑压电电机的速度限制在 20 mm/s 左右。德国帕德博恩大学的研究人员撰写了一篇评论论文，对所有市售的粘滑和惯性压电电机进行了更详细的概述。
步进压电电机
这类压电电机的基本工作原理如图 2 所示。
图 2：步进压电电机的工作原理
典型的步进压电电机至少由三个压电执行器组成。一些致动器与滑块接触（即图 2 中的致动器 A 和 B）并充当夹紧机构，而其他致动器用于产生滑块的平移运动（即图 2 中的 C ）。
静止时，压电致动器 A 和 B 都与滑块接触。在图 2 中状态 1 所示的运动循环开始期间，A 缩回，而 B 展开。只有 B 的接触点与滑块保持接触。C被扩展，通过 B的接触实现滑块的平移运动，如状态2所示。接下来， A 伸出， B 缩回。现在只有 A 与滑块接触，见状态 3。随后，C 缩回到其原始位置，产生 4状态。最后，B 再次伸出，A 缩回，恢复到第一状态的初始状态。
特性：
由于移动机构涉及不同的步骤，压电步进电机通常可实现低行进速度。此外在步进期间，触点会像其它类型的摩擦接触一样磨损。然而，压电步进电机特别容易磨损：良好的运行需要严格的控制公差，所以压电执行器的小行程需要小心地严格相互对齐。因此，压电步进电机的使用寿命通常小于其他类型的压电电机。一个众所周知且便利的压电步进器配置有四个“腿”，但该电机总共由 8 个不同的压电执行器组成。由于需要大量的压电元件和严格的公差，这种类型的电机比粘滑和超声波压电电机更昂贵。
超声波谐振压电马达
对于这种类型的压电电机，滑块的运动是由接触点的椭圆振动产生的。超声波压电马达有两种类型：驻波和行波超声波压电马达。在行波电机中，接触点沿运动方向移动，不断向前推动滑块。相反，驻波电机具有一个（或几个）定义的接触点。这些接触点在滑块上以椭圆轨迹振动，从而产生净位移。虽然行波压电马达可以实现很高的推力，但它们容易磨损并且使用寿命有限。因此，本文重点介绍驻波型压电电机。
在驻波型的情况下，由于振荡频率与电机结构的两个共振频率一致，因此接触点的运动得到增强。图 3 显示了超声波压电电机的共振模式示例，该电机由 Xeryon 的创始人在比利时鲁汶大学开发。在第一共振模式中，接触点沿切线方向移动，即运动方向。这种模式有时被称为“弯曲模式”。在称为“正常模式”的第二共振模式中，接触垂直于运动方向振动。
图 3：超声波驻波压电电机的共振模式
通过仔细选择压电电机的电驱动信号，两种模式同时被激发，相位差为正负 90 度。这导致了接触点的椭圆振动，如图 4 所示。除了相位差之外，接触点的运动轨迹也可以通过驱动信号的幅度或频率来控制。
图 4：超声波压电电机接触点的椭圆振动
特点：
这样形成的接触点的椭圆轨迹，可以使得水平幅度很小，导致运动的水平贡献很小。这导致非常精细的定位分辨率，无需额外的准静态扫描模式（通常用于粘滑压电电机以实现纳米分辨率）。优点是超声波压电马达定位后零漂移，实现了良好的双向位置重复性。
此外，塑造椭圆轨迹的控制策略使得跟随滑块的低但恒定的扫描速度成为可能。术语“超声波”是指振荡频率超出人类可听频率范围。这就解释了为什么这些电机运行无噪音，当操作员在系统附近工作时，这是一个强大的优势，例如光学显微镜。此外，由于操作频率高，使用超声波压电电机可以实现非常高的运动速度。这种类型的电机可以通过其在共振下的运行来解释低功耗，因此产生低热量，这在能量上比准静态运行更有利。在需要热稳定性的手持设备和系统中这一点很重要，例如真空装置或测量设备。
最后，当在适当的工作条件下使用时，这些电机可用于长距离和长寿命。与粘滑压电电机相比，这可以通过接触点和滑块之间的较低影响来解释。
不同压电电机类型的特点
表 1 总结了上述三种主要压电电机类型的不同特性。
| 超声波压电 | 粘滑压电（惯性） | 步进压电（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 |
| 适用场景 | 1纳米 | 1纳米 | < 1 纳米 |
| 行程范围 | 1 - 300 毫米 | 1 - 50 毫米 | 1 - 50 毫米 |
| 寿命 | 200 - 300 公里 | 10 - 20 公里 | 50 - 100 公里 |
| 振动/噪音 | 振动 > 20 kHz（静音） | 振动 < 5 kHz（噪声 + 共振风险） | 振动 < 2 kHz（噪声 + 共振风险） |
| 恒定速度 | 平滑 (μm/s) | 锯齿型 | 步进小脉冲 |
| 能量消耗 | 低 | 中等 | 中等 |
* 这是单个电机的力，大小可比。增加力的一种常见方法是并联放置多个电机。此外，更大尺寸的电机可以实现更高的力。
表 1：不同压电电机特性的比较
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