压电驱动器是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动器。压电驱动器相对于传统的电磁电机具有响应速度快、无需润滑和减速装置、定位精度高、推力密度高、无电磁干扰和断电自锁等优点。在超精密加工、微纳制造、微电子制造、航空航天、生物学操作和机器人关节等领域具有广泛的应用前景。随着超精密加工和微纳制造等领域的快速发展,对驱动与定位系统的行程、速度和精度等指标提出了苛刻的要求,要求驱动器具备大行程、快速和超精密驱动等能力。电磁电机的定位精度一般只能达到亚微米级。共振式压电驱动器一般具备快速、大推力和大行程的驱动能力,但定位精度一般还停留在微米或亚微米级。非共振式压电驱动器定位精度能够达到纳米级;但行程、输出速度和负载能力较小。针对上述问题,以单一压电驱动器能够在共振和非共振工作模式工作为研究目标,对压电驱动器的一体化设计方法和致动方式展开深入研究,使单一压电驱动器在不同的工作模式下具备不同的机械输出能力,满足不同的工作情况要求。共振和非共振工作模式对压电驱动器结构及尺寸均有设计要求,并且部分要求互相矛盾。另外,选用何种振动模态和运动才能使压电驱动器具备工作在共振和非共振工作模式的能力是压电驱动器设计的关键。本文从定子振动模态、激励方法、压电陶瓷的尺寸和布置、压电驱动器共振频率和非共振输出位移五个方面,建立了两种工作模式在单一压电驱动器中实现一体化设计的设计方法。依据此设计方法确定了压电驱动器的构型。基于设计的压电驱动器构型,分析了压电驱动器工作在共振工作模式的致动原理。从理论和有限元分析方面研究了弯曲振动模态的相位差对椭圆形驱动轨迹形态的影响。测试了实验样机的阻抗和振动特性、机械输出特性和步进输出特性。改变激励电压的相位差能改变样机的输出速度和输出方向,当相位差分别为90°和270°时,实验样机正向和反向最大输出速度分别为1750mm/s和1880mm/s,样机的最大输出推力为30N;椭圆轨迹为饱满的正椭圆时,输出速度最大,运动轨迹为扁平的斜椭圆时,输出速度较小。通过正交激励电压的独立调节方法,减小或者消除了死区电压。在脉冲激励信号作用下,样机能够实现步进输出,步进运动的位移分辨力可达0.64μm。基于压电驱动器的正交弯曲运动,提出一种新的工作在非共振工作模式的致动方式:通过复合压电驱动器横截面的弯曲位移,使压电驱动器的驱动足沿矩形轨迹运动,双足交替驱动导轨步进蠕动。阐明了压电驱动器的致动原理,以此为基础设计了相应的矩形波激励电压。使用有限元法分析了矩形波激励电压下压电驱动器的静态和瞬态运动特性;基于瞬态运动特性,将矩形波激励电压改进为梯形波激励电压,减小电压电平高低变化时产生的位移震荡以及减小驱动足的运动加速度。搭建了测试压电驱动器工作在非共振工作模式的实验平台,分别研究了矩形波和梯形波激励电压下压电驱动器的输出特性:在矩形波和梯形波激励电压作用下,一个驱动周期的驱动步距分别为4.45μm和8.23μm;梯形波激励电压的峰峰值和频率分别为400V和200Hz时,压电驱动器的最大输出速度为1.65mm/s,最大推力为12N。基于压电驱动器的正交弯曲运动,提出一种基于斜线轨迹运动的非共振致动方式。压电驱动器的驱动足沿着斜线轨迹往复运动,利用驱动足与导轨接触时的冲击驱动导轨运动。阐明了基于斜线轨迹运动的压电驱动器的致动原理,建立了压电驱动器的动力学模型。通过仿真分析验证了驱动足的斜线轨迹运动,计算了压电驱动器的输出位移。对压电驱动器的输出特性进行了实验测试:压电驱动器工作在基于斜线轨迹运动的致动方式下能够实现步进输出;调整激励电压的幅值和频率能够改变压电驱动器的输出歩距和速度;激励电压为500Vp-p和10Hz时,压电驱动器的输出歩距为5.96μm,输出速度为59.64μm/s,最大输出力为30N;压电驱动器的位移分辨力为50nm。