[發明專利]一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法

有效

• 申請號: 201910820728.1
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN110941181B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 黃瑞銳;楊志軍
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

為了彌補現有技術中的剛柔耦合運動平臺擾動無法完全抵消的技術問題，本發明提供一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法及應用。本發明所述方法以規劃的位移和速度為參考輸入，以工作平臺的實際位移和速度作為反饋，以直線電機是否停止為切換控制的判斷條件，分別建立相互獨立的兩個閉環控制系統。將平臺的動力學響應方程等效轉換成理想無擾形式的同時，提高剛柔耦合平臺的剛度，減小系統帶寬，從而降低了微平臺在大范圍高速運動過程中的低頻振動，提高控制器的跟隨性與響應時間，并在定位補償階段切換控制，由壓電陶瓷促動器進行運動補償，避免了大剛度下微平臺驅動能力的不足，實現了高速精密運動。

技術領域

本發明涉及高速精密運動控制領域的技術領域，更具體地，涉及一種利用壓電陶瓷 連接的剛柔耦合運動平臺的控制方法。

背景技術

在高速精密運動控制領域，基于機械導軌的運動平臺存在摩擦死區，精度只能達到 微米級。在更高精度要求的場合，需要采用氣浮、磁懸浮和靜壓導軌等方式來降低甚至消除 摩擦的影響來實現，成本高，使用環境要求高，不適應用于量大面廣的電子制造領域。然而， 電子制造業的摩爾定律(當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍)對封裝裝備的精度和速度都提出了苛刻的要求。

剛柔耦合平臺巧妙地結合了直線平臺大范圍剛度運動和柔性鉸鏈無摩擦精密運動的 特點，在速度過零點時，用柔性鉸鏈的彈性變形來避免摩擦死區，實現了摩擦死區的補償， 因此可以實現連續高精度的運動。由于柔性鉸鏈的工作原理限制了其主要適用于微小行程的 運動，故在大行程運動過程中，柔性鉸鏈往往會與有摩擦運動的框架剛體配合使用，組成剛 柔耦合平臺來實現大行程高精度的運動。由于引入了柔性鉸鏈，會降低系統的帶寬，引起低 頻振動，使用傳統的PID控制，經過控制器放大后，控制信號產生更大的波動，進一步加劇 振動，影響控制精度，若對控制信號直接進行濾波處理，會將柔性鉸鏈和運動規劃命令的信 息也濾去，則控制信號完全不能起作用。此外，為了保護驅動器，一般會對進入驅動器的控 制量進行限定，以防超出控制量限制，這就導致當擾動變大的時候，驅動器的能力可能還沒 到達到最大就被限制了，因此擾動無法完全被抵消。而如果采用增大柔性鉸鏈剛度的方案， 又會使本身驅動能力較小的微動平臺的運動補償能力下降。因此，剛柔耦合平臺的高速和高 精度之間存在著矛盾。

發明內容

為了彌補現有技術中的剛柔耦合運動平臺擾動無法完全抵消的技術問題，本發明提 供一種壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法。

一種如上述壓電陶瓷連接的剛柔耦合運動平臺控制方法，其特征在于：包括以下步 驟：

1)構建工作平臺的雙閉環控制系統：以規劃的位移和速度為參考輸入，并以工作平臺的實際位移和速度作為反饋，以驅動運動平臺的直線電機為執行器，建立所述工作平臺 的雙閉環控制系統；

2)檢測平臺剛體的位移和速度并分別與工作平臺的位移和速度作差，得到兩者之間 的位移差和速度差，再由壓電陶瓷檢測平臺剛體與工作平臺之間的壓力，輸入到PD控制器 A；

3)將步驟2)得到的速度差、位移差分別乘以柔性鉸鏈的阻尼和剛度，再加上測得的壓力，得到工作平臺的總擾動力；

4)將步驟3)得到的總擾動力與控制量一起輸入到擴張狀態觀測器，估計工作平臺的 擾動信息；

5)將步驟2)得到的工作平臺的位移和速度與運動規劃的位移和速度作差，輸入到PD控制器B，對位移差和速度差分別進行比例增益放大，得到工作平臺的控制量；

6)將步驟4)得到的擾動信息的估計值補償到步驟5)得到的控制量中，轉變為無擾動的剛體平臺控制系統；

7)最后，以直線電機是否停止為切換控制的判斷條件，停止時即將位移差前向通道 由閉環A切換至閉環B，執行步驟5)，控制壓電陶瓷促動器的電壓，驅動剛體平臺定位補償 誤差。

其中，步驟3)中所述的總擾動力為：