用于微米和亚微米定位的压电电机与音圈电机对比

需要微米或亚微米级定位以及极其平滑的运动和控制的应用通常需要直接驱动系统——线性电机、压电电机或音圈执行器。当在大于几百毫米的行程长度上需要高力时，通常使用线性电机级。但对于行程从几分之一微米到几百毫米不等的高精度应用，以及需要非常小的外形尺寸的应用，压电电机和音圈执行器通常是最佳选择。

滚珠丝杠——当正确应用并与合适的线性编码器一起使用时——可以定位到几微米，在控制良好的环境中甚至可以定位到纳米级。但是，由于循环滚珠在进入和离开负载区时会产生脉动，滚珠丝杠缺乏微米和亚微米定位应用中通常需要的运动平滑度。

压电电机平台：具有良好保持力的亚微米定位

其他直接驱动技术依靠电磁来产生运动，而压电执行器则利用逆压电效应，其中施加的电压会在压电陶瓷材料中引起应变，使其改变形状（膨胀或收缩）。

压电电机将压电执行器与机械放大装置（例如挠性或惯性驱动器）相结合，以产生更长的冲程。完整的压电平台还包含一个线性导轨系统——通常是交叉滚柱导轨——来支撑负载。结果是一个非常小的设备，可以产生高达几百微米的行程，最小的增量运动（系统可以进行的最小移动）低至几百纳米。速度和力取决于所使用的压电技术——超声波压电电机、压电惯性电机和 压电步进电机 是压电平台中最常见的类型。

使用压电步进电机技术的平台可以产生 10 N 范围内的力，但速度约为 10 mm/s。它们的优势在于极小的运动，在长行程长度上具有单纳米范围内的最小增量运动 (MIM) 能力。另一方面，使用超声波压电电机的载物台通常可以在高达约 50 毫米的冲程上产生几百纳米的最小增量运动。但它们具有最高的速度能力，大约 200 毫米/秒，产生几牛顿的力。使用压电惯性电机的平台具有与使用压电步进电机类似的性能特征（最小增量运动、速度和力），但占用空间更小，而且成本通常更低。

与其他直接驱动技术相比，压电电机级的优势之一是它们可以在断电时产生高保持力，从而在负载保持就位时消除热量产生。压电驱动系统还具有非常高的力尺寸比。

音圈致动器：更长的冲程和更高的力

音圈致动器将音圈电机与低摩擦引导系统结合在一起，例如交叉滚柱导轨、直线轴或空气轴承。驱动致动器的音圈电机根据洛伦兹力的原理工作——也就是说，当电流施加到磁场中的线圈时，会产生力。该力垂直于电流和磁场的方向，并导致致动器的移动部分（磁铁或线圈）线性移动。

由于力和行程与施加的电流成正比，音圈致动器具有出色的力和位置控制，并且滞后非常低，因此定位重复性非常好。音圈致动器还可以产生高达数百牛顿的连续力。

虽然它们通常用于需要微米和亚微米定位的应用——最小增量运动通常约为 100 微米——但音圈执行器的总行程长度可达数百毫米。然而，音圈执行器需要电流来保持负载处于静止状态，并且它们在运行期间产生的热量比压电电机多，因此必须考虑热管理。

作为直接驱动机构，压电和音圈技术都受益于非常低的摩擦、低移动质量和非常低的惯性，从而使它们能够以高加速和减速率实现非常小的、精确的移动。