[发明专利]一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法

权利要求书

1.一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法，所述的刚柔耦合运动平台包括框架刚体和平台刚体，其中，框架刚体安装在机械导轨上，平台刚体通过柔性铰链及压电陶瓷连接到框架刚体上；框架刚体和平台刚体上设置有位移速度检测单元；平台刚体上设置有用于驱动框架刚体移动的驱动单元，其特征在于：包括以下步骤：

1)构建工作平台的双闭环控制系统：以规划的位移和速度为参考输入，并以工作平台的实际位移和速度作为反馈，以驱动运动平台的直线电机为执行器，建立所述工作平台的双闭环控制系统；

2)检测平台刚体的位移和速度并分别与工作平台的位移和速度作差，得到两者之间的位移差和速度差，再由压电陶瓷检测平台刚体与工作平台之间的压力，输入到PD控制器A；

3)将步骤2)得到的速度差、位移差分别乘以柔性铰链的阻尼和刚度，再加上测得的压力，得到工作平台的总扰动力；

4)将步骤3)得到的总扰动力与控制量一起输入到扩张状态观测器，估计工作平台的扰动信息；

5)将步骤2)得到的工作平台的位移和速度与运动规划的位移和速度作差，输入到PD控制器B，对位移差和速度差分别进行比例增益放大，得到工作平台的控制量；

6)将步骤4)得到的扰动信息的估计值补偿到步骤5)得到的控制量中，转变为无扰动的刚体平台控制系统；

7)最后，以直线电机是否停止为切换控制的判断条件，停止时即将位移差前向通道由所述PD控制器A构成的控制闭环切换至由所述PD控制器B构成的控制闭环，执行步骤5)，控制压电陶瓷促动器的电压，驱动刚体平台定位补偿误差；

步骤3)中所述的总扰动力为：

其中，k，c分别为柔性铰链的刚度和阻尼，F_N为压电陶瓷受到的压力；x_M，x_m分别为框架刚体和工作平台的位移，分别为框架刚体和工作平台的速度。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法，其特征在于：步骤4)中的扩张状态观测器为：

其中，β₁＝3ω，β₂＝3ω²，β₃＝ω³，ω是需要设定的参数；e_y为实际反馈与给定位移的差值；为工作平台位移差的估计值；为工作平台移动速度的估计值；b0为控制参数，通常为惯量的倒数；u为步骤5)得到的控制量。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法，其特征在于：步骤5)中的工作平台的控制量获得方法是：控制量通过以下公式获得：

其中，k_p与k_d分别为PD控制器A的比例系数和微分放大系数，为大于0的正数；为工作平台扰动差的估计值；e_y为实际反馈与给定位移的差值；x_M，x_m分别为框架刚体和工作平台的位移；分别为框架刚体和工作平台的速度；F_N为压电陶瓷受到的压力；k，c分别为柔性铰链的刚度和阻尼；其中，v为给定速度。

4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法，其特征在于：步骤7)中压电陶瓷的输出电压为：

其中，V是压电陶瓷的输出电压，S为圆片底面积，g为材料系数，F是压电陶瓷受到的压力，l是压电陶瓷的厚度；

压电陶瓷作为位移促动器时的位移计算公式为：ΔW＝dV；

其中，ΔW是压电陶瓷的伸长量，即是作为位移促动器时的位移，d为压电系数，V为压电陶瓷的输出电压。

5.一种压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台控制方法的应用，其特征在于，大行程精密加工设备上应用如权利要求1至4其中之一所述的刚柔耦合运动平台控制方法控制运动平台。