纳米级精密定位应该如何选择，压电电机与线性电机的对比，Zaber直线电机平移台

在压电电机与直线电机之间做抉择，从来都不是一件容易的事。近年来，紧凑型驱动电子器件和电机技术的进步，使得两类电机的性能重叠达到了前所未有的程度。尽管过去人们一度认为，纳米级精度必须依靠压电电机才能实现，但如今，直线电机位移台已经能够在显著更大的行程范围内达成同等的精度水平。由于线性电机位移台系统的成本可能仅为压电平移台系统的三分之一，本文旨在帮助您理解压电电机与线性电机的性能重叠并优化预算。以下类别突出了每种技术在哪些方面表现出色，以及线性电机位移台在哪些方面扩展了其应用范围。

当您的应用需要＜1nm级的最小增量位移/最小步进（Minimum Incremental Move简称：MIM）且行程＜3mm时，推荐使用压电电机（压电柔性铰链位移台）。当您的应用需要4nm-25nm的纳米级精度，同时要求数毫米至数百甚至一千毫米的长行程时，线性电机是更经济高效的选择，因为直线电机平移台的成本通常仅为压电平移台的三分之一，却能提供更优越的行程表现。

一、物理占地面积：电动平移台和系统尺寸

在许多应用中，总工作空间体积，即电动平移台和其他组件所占用的空间，是一个关键的考虑因素。当物理安装区域极其有限时，压电平移台是首选。 行程为21mm的粘滑式压电平移台尺寸可小至32x32x11mm。虽然电动平移台很小巧，但压电系统需要单独的外部控制器，这些控制器通常比纳米级电控位移台本身大得多。线性电机位移台通常比压电平移台体积更大，但往往集成了控制器，这省去了外部驱动电子设备和杂乱的线缆。例如：Zaber DMA纳米级电控位移台系列尺寸为100x77x30.5mm，内置控制器。

二、载荷能力：有效载荷与行程

在0.1-2kg内，压电电机与线性电机平台均能够移动物镜、移液管、微型传感器或激光器等轻型有效载荷。而对于在大型工作台上移动的重型物体（10-20kg），线性电机位移台在价格和行程方面提供了最实用的平衡。例如：Zaber 的X-LDQ-AE系列线性直线电机平移台可以将20公斤的物体移动1m。

下表对运动控制行业的精度、行程和成本进行了具有代表性的比较。为了客观地反映当前行业格局，这些数据是Zaber公司通过分析压电电机与直线电机领域几家领先制造商公布的技术规格而汇总而成的。虽然这些数据反映了主流纳米级电控位移台上的标准性能，但并非旨在涵盖所有专用或定制驱动器型号。所有成本均基于包含必要控制器和电源的完整纳米级电控位移台系统进行估算。

当您的应用需要亚纳米级的最小增量位移/最小步进（＜1nm MIM）且行程非常有限（＜3mm）时，推荐使用压电电机（压电柔性铰链位移台）。当您的应用需要4nm-25nm的纳米级精度，同时要求数毫米至数百甚至一千毫米的长行程时，线性电机是更经济高效的选择，因为直线电机平移台的成本通常仅为压电平移台的三分之一，却能提供更优越的行程表现。对于追求极快启停响应（稳定时间＜5ms）的超快运动场景，压电电机是最佳选择。当您希望简化系统集成、减少外部控制器和布线时，集成控制器的直线电机平移台更为便捷。在某些复杂系统中，也可以考虑将压电电机与线性电机相结合——例如使用线性电机进行粗定位，再使用压电电机进行纳米级精调，从而兼顾长行程和高精度。

三、最小增量位移/步进与行程范围

虽然压电电机与线性电机的纳米级电控位移台都能实现纳米级运动，但一旦系统要求超过某个阈值，性价比就会发生显著变化。

亚纳米级精度（＜1nm MIM）：压电柔性铰链位移台（Piezo-flexure stages）依然是实现1nm以下最小步进（MIM）的主要解决方案。如图1所示，压电柔性铰链位移台的行程通常限制在3mm以下。

纳米级精度（4nm–25nm MIM）：在这个范围内，线性电机位移台提供了最显著的投资回报，其成本通常仅为压电电机系统的三分之一。在这个范围内，Zaber纳米级电控位移台在不牺牲精度的情况下提供了更大的行程。例如：

Zaber DMA直线电机平移台系列：位于压电电机和线性电机的重叠区域中心，提供10nm MIM和10mm行程。

Zaber LDM纳米级电控位移台系列：将行程延长至210 mm，同时保持4nm MIM。

Zaber LDQ线性电机位移台系列：图表上提供最长行程，在高达1,000 mm的距离上实现25nm MIM。

虽然理论上粘滑式压电平移台可以达到500mm以上的行程，但每毫米的成本可能比直线电机平移台方案高得多，因此线性电机位移台是更经济的选择。

图 1：压电电机与线性电机性能对比图

四、运动曲线和占空比

电动平移台系统的吞吐量（throughput）通常由它的运动速度、稳定速度以及无需维护的运行时间来决定。

＜5 ms稳定时间： 对于微观距离上的快速启停运动，压电柔性铰链位移台是标准配置。它们能够以足够快的速度和稳定性运动，使得在不到一秒的时间内捕捉100层切片的3D体积数据。

＜15 ms稳定时间： 线性电机位移台提供了足够的加速度和稳定速度，足以在步进扫描应用中与压电电机竞争，且没有亚毫米级的行程限制。

100% 占空比： 如果应用需要全天候高速运动，直线电机平移台和压电柔性铰链位移台是理想之选。与依赖摩擦力且易磨损的粘滑式压电平移台（piezo stick-slip）不同，线性电机位移台和压电柔性铰链位移台采用非接触式驱动，从而拥有更长的使用寿命。

五、操作环境：噪音及其他条件

压电柔性平台运行过程中无噪音。粘滑式压电平移台在运动过程中通常会发出高频的啁啾声或啸叫声，而直线电机平移台由于轴承的原因会产生轻微的低频嗡嗡声，这在安静的实验室环境中通常不太引人注目。在超高真空和低温兼容性方面，压电平移台仍然是超高真空（10^-9 Torr）和低温应用的最佳解决方案。