近年来随着精密制造产业的迅速发展,精密运动平台成为了一个研究热点。除了经典的利用电磁感应效应的驱动器外,还涌现出了利用压电效应、磁致伸缩效应、形状记忆效应的新型驱动器。压电驱动器因其具有结构简单、响应快、分辨力高、电磁兼容性强等优点,是一种在精密制造领域有潜在应用价值的驱动器。压电驱动器按照其致动原理可以分为超声波电机、直驱式压电驱动器、尺蠖式压电驱动器和惯性式压电驱动器。其中惯性压电驱动器具有结构简单、行程大、激励信号简单等优点,近年来受到了众多学者的关注。惯性式压电驱动器利用驱动足和动子之间的“粘-滑”运动,在“粘”运动阶段驱动足通过静摩擦力推动动子缓慢向前运动;在“滑”运动阶段驱动足快速撤回并使动子的驱动足之间产生相对滑动,动子也在滑动摩擦力的作用力下产生少量向后的位移。这样不断重复“粘-滑”运动过程,动子和驱动足之间的相对滑动位移就积累成了动子的输出运动。通过致动原理可以看到,惯性驱动器的输出位移存在位移回退现象,这在细胞穿刺、显微注射、光纤对接等领域是不可接受的。为了抑制惯性驱动器的位移回退,本文分析了传统惯性驱动器的致动机理,改进了其致动原理以完全抑制位移回退。本文研制了一种新型无位移回退的步进式压电驱动器并搭建了其运动控制系统。研究了惯性压电驱动器的致动原理,建立了惯性驱动输出位移的模型,分析了位移回退的原因以及影响回退大小的因素。从主动调整驱动足和辅助摩擦足摩擦力的角度,提出了一种新型惯性驱动器的致动原理。在此基础上设计了一种无回退惯性式压电驱动器和由其驱动的直线运动平台。建立了驱动器致动单元的解析模型,优化了其关键结构参数并制作了原理样机。为拓宽驱动器工作频率范围提高直线运动平台最大输出速度,设计并制作了一种大功率高压线性功率放大器。功放性能测试实验表明:功放在空载和带3μF容性负载条件下,非线性度误差分别为0.0037%和0.0038%;空载和带3μF负载条件下功放输出电压的纹波均小于10 m V;空载条件下的满量程时漂为0.0074%(F.S./8hours),3μF负载条件下的满量程时漂为0.007%(F.S./8hours);功放空载和额定负载条件下满幅输出最大频率分别为5 k Hz和500 Hz;在容性负载充电过程中,功放平均输出电流1.5 A,峰值电流2.25 A。为了测试所研制样机的机械输出特性,搭建了基于嵌入式系统和图形化操作界面的运动控制系统。运动控制系统的控制指令由嵌入式工业控制板产生,通过D/A板卡转变为模拟信号,经功率放大器转换为压电叠堆的激励电压。运动控制系统以增量式直线光栅尺为位移测量元件,光栅尺输出的正交脉冲信号由基于STM32的计数卡转换为实际输出位移并反馈给控制器。基于Lab VIEW软件搭建了运动控制系统的图形化操作界面保证了良好的人机交互性。利用所搭建的运动控制系统实验平台,测试了所研制的步进式压电驱动器的输出位移-时间特性、电压-速度特性、频率-速度特性、负载-速度特性、分辨力特性。测试结果表明:通过调节摩擦足摩擦力的大小可以有效减小直至完全消除运动回退现象(小于1%)。压电驱动器在150 Vp-p、250 Hz锯齿波激励信号下,可带动直线导轨动子输出4.76 mm/s的最大速度。系统能承受的质量负载不小于1.3 kg,最优分辨力为20 nm。本文研制的步进式压电驱动器克服了惯性式压电驱器普遍存在位移回退的缺陷,且所研制的样机在输出速度、负载能力和位移分辨力方面也具有显著优势。