Design and control of an hybrid actuation system

High bandwidth actuation systems capable of exerting relatively high forces and, contemporarly, producing relevant displacements are required in many mechanical fields, like automotive, robotics and manufacturing. Conventionally used hydraulic actuation mechanisms, due to the fluid nature, can be complex, quite inefficient and characterized by poor control robustness. These lead to reduced dynamic performances and control capabilities, especially at high frequency. To overcome these limits, a two stage hybrid actuation mechanism is proposed by combining classical electrical actuators like DC motors and advanced smart material devices like piezoelectric actuators. This thesis deals with the design of this compact double-stage actuation system and the development of a reliable numerical model able to describe the dynamics of the entire device. Additionally, a discussion of the implemented control logic used in traking a reference input is provided. Finally, a sensitivity analysis is conducted on the numerical model, testing the actuator in several operating conditions and highlighting the effectiveness of the control methodology.

Sistemi di attuazione ad ampio spettro in grado di esercitare contemporaneamente forze e spostamenti elevati sono richiesti in molti settori meccanici come automotive, robotica e produzione. I sistemi idraulici convenzionalmente usati, generando l'attuazione tramite fluido, risultano spesso complicati, inefficienti, e caratterizzati da sistemi di controllo poco robusti; di conseguenza, le prestazioni dinamiche e il controllo stesso di questi sistemi alle alte frequenze risultano notevolmente compromessi. La soluzione proposta in questa tesi è basata su un sistema ibrido, composto da un motore elettrico e un attuatore piezoelettrico. In particolare, la progettazione e il dimensionamento dell'attuatore sono stati oggetto della prima parte del lavoro, che si conclude con la presentazione di un modello matematico del sistema. In secondo luogo, è stata studiata e implementata una logica di controllo da poter accoppiare all'attuatore, in modo tale da generare un determinato profilo di forza. Infine, è stata condotta un'analisi di sensitività per testare il modello in diverse condizioni di funzionamento, verificando l'efficacia e robustezza del sistema di controllo.