随着精密设备应用的拓展,柔顺放大压电驱动系统因其结构简单、构型多样、易于控制等优点逐渐受到学者重视。提高放大倍数是增大柔顺放大压电驱动系统行程的主要方式。但是由于柔性铰链的轴漂运动,柔顺放大机构存在放大倍数极限问题;多级放大机构虽然可以提高放大倍数,但难以兼顾结构尺寸臃肿的矛盾。为了解决这一问题,本文开展了基于柔顺放大机构的大行程压电驱动系统的设计与控制技术研究。从运动向刚度出发,深入探讨柔顺放大机构运动向刚度与放大倍数和能量效率关系等问题,研究大行程高效率的行程放大压电驱动系统设计及其控制方法,将行程放大压电驱动系统有效行程提高到毫米级范围。论文首先将桥式放大机构和杠杆放大机构分别简化为串联柔性链和并联柔性链。利用柔度矩阵描述柔性铰链的弹性变形,通过D-H法推导柔性链关键点的力位计算公式,获得柔性链运动学和静力学通用模型。动力学方面,利用拉格朗日法建立放大机构动力学方程,并计算结构固有频率。利用通用模型,比较二级桥式机构和二级杠杆机构的运动性能和负载特性,分析柔性铰链切口形状和结构参数对放大倍数的影响。从柔性铰链运动方式出发,针对柔性铰链运动方向存在刚度的特点,探究运动向刚度对柔顺放大机构工作性能的影响。提出以混合铰链、混合材料及参数优化为手段,以运动向刚度分析为核心,以运动性能和动力学性能优化为目标的柔顺放大机构运动向刚度设计方法。利用该方法,分析了二级柔顺放大机构的运动向刚度,得到放大倍数和刚度比之间的内在关系。在此基础上,利用混合铰链改进了经典的二级桥式放大机构,将其相对放大倍率提高到0.9以上。考虑到平面放大机构的结构紧凑性,提出了桥式-杠杆二级放大机构,通过有限元仿真和样机实验证明了其在放大倍数和结构紧凑上的优越性。从系统刚度分析出发,分析了运动向刚度与能量效率的关系,探讨了通过刚度配置提高能量效率的可行性,提出了基于负刚度机构的高效柔顺放大机构概念,并设计出了能量效率高达80%的行程放大压电驱动器。为了进一步挖掘二级放大机构的运动性能,以运动向刚度分析为基础,对二级桥式机构进行多目标优化设计,综合协调放大倍数、固有频率、负载能力和刚度比等性能指标,实现90的放大倍数、5mm运动行程、50Hz一阶频率和50N（20N/mm）负载能力。为了保持放大机构纳米级定位分辨率,引入宏微驱动概念,用次级陶瓷补偿放大效应带来的压电陶瓷分辨率损失。考虑到宏微系统的多输入单输出特点,采用“宏开微闭”控制策略,利用高斯过程回归实现压电迟滞非线性的补偿,利用输入整形技术实现柔性铰链的残余振动抑制,采用双前馈+PID混合控制方法实现纳米级定位分辨率和长期稳定性。利用上述柔顺放大机构的设计和控制方法研制了一款新型微夹持器。为了解决微夹持器小结构、大行程的矛盾,将运动向刚度分析法引入压电驱动式微夹持器的结构设计中,通过铰链个性化设计提高了传统二级微夹持器的放大倍数;利用刚度设计实现夹爪被动柔顺功能,降低位置控制分辨率要求;采用平行四边形机构实现夹爪平行夹持;为了实现夹爪开环位置控制,使用基于高斯过程回归和输入整形技术的双前馈控制技术;为了获得精确的恒力控制,采用前馈补偿控制+PID的混合控制;为了增强夹持瞬间的柔顺效果,采用力位切换的控制策略。通过微夹持器的夹持实验,证明了所设计的微夹持器在结构尺寸、运动性能和夹持操作上具有优势。