[發明專利]一種尺蠖型壓電推桿電機及其遲滯特性補償方法

有效

• 申請號: 202110969785.3
• 申請日: 2021-08-23
• 公開（公告）號: CN113824351B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 史維佳;孫連偉;趙勃;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/13
• 分類號: G06F17/13;H02N2/02;H02N2/06
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張宏威

1.一種尺蠖型壓電推桿電機的遲滯特性補償方法，所述方法基于一種尺蠖型壓電推桿電機，所述電機包括：外殼，運動推桿，驅動單元，PCB霍爾傳感器，磁編碼貼片，直線軸承和驅動控制器；

所述驅動單元包括壓電陶瓷堆疊、摩擦材料和基底，使用螺栓將驅動單元固定在外殼內部，運動推桿安裝在外殼、驅動單元、限位單元和外殼端蓋的中心孔中；將直線軸承安裝在外殼與運動推桿之間，在外殼端蓋對應位置開有圓形孔，使得推桿電機能夠始終保持直線運動，所述運動推桿為前端方形，中間方形，中間方形的寬度比前端大；

驅動單元設置在外殼前端，壓電陶瓷堆疊與基底連接，基底與外殼內壁連接，摩擦材料與壓電堆疊連接；摩擦材料與運動推桿前端連接；運動推桿中部設置有凹槽，凹槽內設置有磁編碼貼片，凹槽與PCB霍爾傳感器相對應:

將磁編碼片安裝在運動推桿表面所開的凹槽處，并在磁編碼貼片與外殼的正對位置上安裝有PCB霍爾傳感器，使得對推桿行程進行檢測，將PCB霍爾傳感器輸出信號與驅動控制器相連，通過PCB霍爾傳感器檢測超聲型壓電推桿電機的行程，然后與給定行程進行比較，輸出調節信號，改變行程；

其特征是：包括以下步驟：

步驟1：確定單輸入單輸出系統的輸入輸出遲滯特性，采用DUHEM模型描述遲滯引起的控制非線性特征；

步驟2：按照電壓的上升和下降可以將模型遲滯的部分拆分為電壓上升段和電壓下降段；

所述步驟2具體為：

針對DUHEM方程中含有的微分項，按照電壓的上升和下降可以將模型遲滯的部分拆分為電壓上升段和電壓下降段：

對遲滯部分進行變形：

其中，參數函數f(·)與方向無關，近似表示上升與下降曲線的平均值，參數函數g(·)與方向都有關，近似表示上升斜率和下降斜率的平均數；

采用擬合方式求解上升曲線和下降曲線以及各自的斜率，利用多項式逼近DUHEM模型的兩個參數函數，并將多項式系數歸為待求解的參數，一同加入辨識過程，用于描述驅動足輸入電壓與驅動桿輸出位移之間的遲滯特性；

步驟3：通過解析逆模型的前饋補償消除遲滯對控制的影響，實現尺蠖電機輸入電壓與輸出位移線性化一一對應，對尺蠖電機進行重復定位精度。

2.根據權利要求1所述的一種尺蠖型壓電推桿電機的遲滯特性補償方法，其特征是：所述步驟1具體為：

單輸入單輸出系統的輸入輸出遲滯特性，通過下式確定：

其中，x:[0,∞)→ⁿ絕對連續，u和y分別為模型的輸入輸出；

u:[0,∞)→∈C¹分段連續；

k:ⁿ×→^n×r連續；

l:→^r連續且滿足l(0)＝0；

為進行描述遲滯特性，建立DUHEM微分方程，通過下式表示所述方程：

其中，X(t)＝d·u(t)為線性部分，d為輸入輸出之間的比例系數；h[u(t)]為遲滯狀態變量，h(·)為遲滯算子；α為正常數，用于控制滯環大小；f(u)和g(u)為模型的參數函數，用于控制滯環形狀；f(u)和g(u)二者均分段連續且滿足以下條件：

f(·)單調遞增，且滿足

u0時，

3.根據權利要求2所述的一種尺蠖型壓電推桿電機的遲滯特性補償方法，其特征是：所述步驟3具體為：

DUHEM模型中的逆模型參數通過DUHEM模型參數直接得到，基于逆函數定理，DUHEM方程的逆模型通過下式表示：

其中，h和u分別為逆模型輸入和逆模型輸出；將辨識得到的參數代入即可得到DUHEM逆模型方程，逆模型結構在中給出；

將DUHEM解析逆模型加入上位機期望位移輸出信號中，并在上位機程序中給定位移指令，對比輸入輸出曲線，多次得出采用DUHEM逆模型前饋補償的控制下，尺蠖電機定位系統的重復定位精度；

當尺蠖電機的目標位置L，在期望位移輸入下得到的驅動桿實際位置輸出為L_i(i＝1,2,...,n)，位置誤差表示為X_i＝|L-L_i|，則尺蠖電機的平均位置偏差表示如下：

目標位置L的n次趨近所獲得的位置偏差標準下不確定度的估算值表示：

目標位置重復定位精度R＝4S；

采用多種信號測試更加精準的評判前饋補償對于尺蠖電機定位精度的改善，包括延時、去程、返程以及往返快速作用的測試，評判遲滯模型在位移信號的上升下降過程中均可以做到輸入輸出一一對應，保證尺蠖電機的定位精度。