（电机与电器专业论文）基于dsp的超声波电机转速控制特性的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm o t o r ( 【j s h 0i san e wk i n do f m o t o rt h a tu t i l i z e st h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i c e f f e c ta n dt h ef r i c t i o nc o u p l i n go p e r a t i o nb e t w o e at h es t a t o ra n dt h er o t o ri op e r f o r mt h ee n e r g y o o n y e r s i o af r o mt h ee l e c t r i ce n e r g yt ot h em e c h a n i c a le n e r g y i th a sb e e np a i dm o a n dm o l e a t t e n t i o nt ob ym a n yr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d s p e e da n dp o s i t i o n c o n t r o lo ft h e t r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i cm o t o ra r em a i n l y c o n c e n t r a t e do ni nt h i sd i s s e r t a t i o n b yt h ee x p e r i m e n t st ot h et r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i c m o t o ro f6 0m md i a m e t e ru n d e rn ol o a d ，t h r e em e t h o d sf o rd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gu s ma r e a n a l y z e di n c l u d i n gf r e q u e n c ym o d u l a t i o n v o l t a g em o d u l a t i o na n dp h a s ed i f f e r e n c em o d u l a t i o n ，a s ar e s u l to f w h i c hb o t ht h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt h ep h a s ed i f f e r e n c em o d u l a t i o na r ea d o p t e d f o ru s mc o n t r 0 1 f o rb e t t e rc o n t r o le f f e c tt ou s m ，t h eu s mc o n t r o ls y s t e mb a s e do r id s pi sd e s i g n e d ，w h i c hi s c o m p o s e do ft h eu p p e rm a c h i n e ，t h ed r i v e ra n dt h ec o n t r o l l e ro fu s ma n dt h eu s mt e s t i n g p l a t f o r m an e wk i n do f d s pc h i pt m s 3 2 0 c 2 8 1 2o f t ic o m p a n yi su s e di nt h ed r i v e ra n dt h e c o n t r o l l e ro f u s m ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h eu s mc o n t r o ls y s t e mal o t o nt h ep l a t f o r mm e n t i o n e da b o v e ，t h es p e e dt r a c k i n gc o n t r o lo f u s mf o rt r a p e z o i d ，t r i a n g l e a n ds i n u s o i di ss t u d i e db ym e a n so fp - c o n t r o l ，p i d c o n t r o la n df u z z y - pc o n t r 0 1 b e s i d e s ，t h e p o s i t i o n t r a c k i n gc o n t r o lo fu s mf o rt r i a n g l ea n ds i n u s o i di ss t u d i e db ym e a n so fp - c o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sm d i c a 忙t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sc a l lh ei m p l e m e n t e dc o n v e n i e n t l ya n d o f f e rg o o d p e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fu s mu s e da ss t e pm o t o ri ss t u d i e di n t h i s d i s s e r t a t i o n a l t h o t l g i lt h ee x p e t i m e a t a lr e s u l t i sn o t9 0 0 d ，i to f f e r sar e f o r e n e ef o r t h e s t u d yo nt h e c h a r a c t e r i s t i eo f u s m u s e da ss t e p m o t o r k e yw o r d s ：r i n g - t y p et r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i cm o t o r , d s p , s p e e dc o n t r o l ，p o s i t i o nc o n t r o l ， c h a r a e m r i s 6 e i ss t e pm o t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究_ l 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沧文中 作了明确的说明劳表示了谢意。 研究生签名：二圣舻日期：功d ，午 东南大学学位论文使用授权声明 东市大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以粟用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公抽( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权彖南丈学研究生院办理。 研究生签名 王铱才 导师签名：黻日期：耐纷 第一章绪论 第l 章绪论 为适应灵活性、快速性，简便性控制的要求，多年来国内外科技界和工业界就一直致力 于研究各种新型微电机其中，性能卓越的超声波电机( u l t r a s o n i cm o m r ，简赫u s m ) 利 用压电陶瓷逆压电效应，通过各种伸缩振动模式的转换与耦兮，将材料的微观变形通过共振 放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动超声波电机具有许多不同于传统电磁电机的 特点，如低速大转矩无电磁干扰动作响应快，断电自锁等，在机器人、计算机，汽车， 航空航天，精密仪器仪表伺服控制等领域具有越来越广阔的应用前景 1 1 研究超声波电机的意义 1 1 1 超声波电机概述 q 、超声波电机简介 超声波电机是一种全新概念的电机，与传统的电磁电机不同。超声波电机没有磁极和绕 组，不依靠电磁介质来传递能量。它利用压电陶瓷的逆压电效应来使电能转换成机械振动能 量，然后通过摩擦耦合作用使电机定子的振动能量转换成电机转子的转动能量输出。超声波 电机作为一种直接驱动电机从2 0 世纪8 0 年代以来备受各国科研工作者的青睐，已成为当前 机电控制领域的一个研究熟点”。 超声波电机的基本工作原理如下：在振动体( 定子) 的压电陶瓷上旋加趣声频率的交流 电压，通过逆压电效应在振动体内产生频率为几十k h z 的超声微观振动，该微观振动通过 振动体和移动体( 转子) 之间的相互作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。 h ，超声波电机的分类 近2 0 多年来出现了各种形式和结构的超声波电机，为了进一步了解和认识超声波电机 的特点，根据其工作模态、机械振动方式和定转子间的接触方式进行以下分类t r 行波型超声波电机 按电恐玉彗模态d 驻波型超声波电机 分类l l 混合型超声波电机 按机械振动方式丁谐振驱动方式超声波电机 分类l 非谐振驱动方式超声波电机 r 摩擦驱动式超声波电机 按娄嚣触妊摩擦驱动式超声波电机 l 非接触式超声波电机 东南大学硕士学位论文 本论文的主要研究对象为环形行波型超声波电机。由上面可见，根据不同的分类标准， 超声波屯机可以分为不同种类，随着科学技术的发展更多不同形式和结构的超声波电机将 不断涌现。 c 、超声波电机的特点i 超声波电机由于其工作原理完全不同于传统的电磁电机，具有许多独特的优点，例如： ( 1 ) 低速大转矩 超声波电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了它是一种低速电机，但它在实际运 行时的转矩密度一般是电磁电机的十倍以上。 ( 2 ) 无电磁干扰 超声波电机依靠摩擦驱动，无磁极和绕组，工作时无磁场产生，也不受外界电磁场及其 它辐射源的影响。 ( 3 ) 动作响应快 超卢波屯机的启动响应时间在毫秒级范围内，能够以高达1 k h z 的频率进行定位调整， 而且制动响应快。 ( 4 ) 断电自锁 超声波电机断电时由于定、转子间静摩擦力的作用，使电机具有较大的静态保持力矩， 实现白锁，省去制动闸保持力矩，简化定位控制。 ，1 1 2 超声波电机的应用【l j 超声波电机具有许多独特的优点，在国外已经步入产业化阶段并在一些产品中得到了应 用。比如，日本的佳能公司和尼康公司将其应用于照相机的镜头调焦、西格玛公司将其应用 于大口径望远镜：美国围家航空宇航局 n a s a ) 将其用于太空机器人的机械臂设计；德国 的西门子医疗器械公司( 东京) 将其用于核磁共振装置( m r i c t ) 、奔驰公司将其用于汽车 车窗的驱动装置。超声波电机由于其性能优良，在机器人、计算机、汽车、航空航天、精密 仪器仪表、伺服控制等领域具有越来越广阔的应用前景。 1 1 3 超声波电机的研究意义 目前，国内的超声波电机产业化还是空白。但国内的研究人员正在努力填补这一空白， 正在对超声波电机及其驱动控制进行产业化技术的攻关l l l 。国内关于超声波电机的研究内容 主要有超声波电机本体的研究、超声波电机测试装置的研究、超声波电机产业化应用技术的 研究以及超声波电机驱动控制技术的研究。其中，超声波电机驱动控制技术是体现超声波电 机应用水平的重要标志。因此，探索恰当的数学分析手段及与之相对应的控制策略，利用先 进技术开发高性能的超声波电机驱动控制装置是超声波电机研究的一个重要方 5 1 。 1 2 国内外关于本课题的研究情况 奉课题主要研究行波超声波电机的速度、位置控制特性，属于超声波电机驱动控制技术 的研究范畴。针对行波超声波电机在速度控制、位置控制方面的应用，国内外许多学者作了 2 第一章绪论 大量研究工作。 1 2 1 速度控制的研究情况 清华大学的程昱采用调节驱动电压幅值的方法，结合白校j e 模糊p i 控制实现了电机对 方波曲线的速度轨迹控制1 4 】；香港大学的k t c h a u 采用直接脉宽调制的方法结合神经模 糊控制实现了电机对正弦波曲线的速度轨迹控制田：日本的y a s u h i d ek o b a y a s h i 采用 调节驱动电压频率的方法，结合h 。控制实现了电机对梯形波曲线的速度轨迹控制陋l 。上述 研究工作基本上都是基于行波超声波电机朝单一方向旋转运行而进行的，然而在工控行业飞 速发展的今天，许多伺服控制应用场合往往要求电机能够朝顺时针、逆时针两个方向( 取向) 旋转运行。东南大学超声波电机课题组采用调节驱动电压频率及其相位差的方法，结合模糊 p i d 控制研究了电机对双向阶梯波曲线的速度轨迹控制p 】；日本的y 1 删i z u z o 采用调节驱 动电压频率及其相位差的方法，结合基于软件调节的p i 增盏控制器研究了电机对双向正弦 波曲线的速度轨迹控制p 】。上述速度轨迹控制的参考曲线周期均大于1 0 s ，很难满足控制系 统对实时性的要求。 1 2 2 位置控制的研究情况 土耳其的g u n g o r b a l 采用调节驱动电压频率的方法，结合模糊逻辑控制研究了电机对 梯形波曲线的快速位置轨迹控制( 参考曲线周期为4 0 0 m s ，位置幅值为9 0 0 ) ，但是控制效果 并不理想”；日本的t o m o n o b us e n j y u 采用调节驱动电压频率及其相位差的方法。结合参考 模型自适应控制( m r a c ) 和模糊死区补偿研究了电机对双向正弦波曲线的位置轨迹控制( 参 考曲线周期约为3 s ，位置幅值约为2 8 6 0 ) ，取得了较好的控制效果，但是实时性不强。 1 2 3 本课题预期实现目标 为了提高行渡超声波电机的伺服控制性能，本谋题将重点研究行渡超声波电机的速度、 位置控制特性。在各种伺服控制应川场合中，柔顺控制最能反应控制系统的性能和控制效果， 因此本文将重点研究行波超声波电机对双向正弦波曲线的速度、位置轨迹控制。通过分析比 较国内外对本课题的研究情 兄，本谋题设定了如下预期实现目标：针对行波超声波电机速度 控制，本课题希望将参考曲线的周期缩小到5 s 以内；针对行波超声波电机位置控制，本课 题希望能够将参考曲线的周期缩小到l s 以内、位置幅值缩小到2 8 6 0 以内。 1 3 本论文的研究内容 由上述行波超声波电机在伺服控制方面的研究情况可知，要对超声波电机进行行之有效 的控制，需要设计性能更高的超声波电机驱动控制系统。因此本论文主要研究了超声波电 机控制系统的整体设计，并在该控制系统的基础j 研究了行波超声波电机的速度，位置控 制特性。 东南大学硕士学位论文 本论文的主要内容安排如下； 第一章绪论 介绍了超声波电机的原理、分类、特点、应用以及超声波电机研究的内容和意义。提出 本课题的研究方向及预期实现目标，井给出本论文的研究内容。 第二章行波超声波电机驱动控制原理 介绍了环形行波超声波电机的结构特点、运行机理和驱动控制原理，通过实验分析比较 三种常用的超声波电机驱动控制方法：调频调速、调压调速阻及调相调速。结合本课题研究 内容，提出采用调频调速和调相调速相结合的方法。 第三章基于d s p 的超声波电机控制系统的研究与设计 分析超声波电机驱动控制方面的要求，研究并设计基于d s p 的超声波电机控制系统实 验平台，包括硬件电路( 基于d s p 的超声波电机控制电路、驱动电路和d a c 电路) 设计和 软件设计。 第四章行波超声波电机速度控制特性的研究 分析行波超声波电机速度控制的研究内容和耳的，采用一定的测速算法和控制算 击( 比 例控制、p i d 控制和模糊比例控制) 研究了行波超声波电机对梯形波、三角坡、正弦波曲线 的速度轨迹控制。 第五章行波超声波电机快速位置控制的研究 分析行波超声波电机位置控制的研究内容和目的，主要研究了行波超声波电机的位置控 制特性和步进特性。其中采用比例控制算法研究电机对三角波、正弦波曲线的快速位置轨迹 控制；采用上下位机系统研究行波超声波的步进特性。 第六章总结和展望 对全文内容进行总结，根据超声波电机控制系统的实际应用情况以及在研究行波超声波 电机速度、位置控制中出现的问题，提出一些建议。 4 第二章行波超声波电机驱动捧制原理 第2 章行波超声波电机驱动控制原理 由绪论可知，本论文主要研究环形行波超声波电机的速度，位置拉制特性，因此本章首 先简速了环形行波超声波电机的远行机理和驱动控制原理，然后根据其工作原理。通过实验 分析并比较三种常用起声波电机驱动控制方式( 调频调压、调相) 及其对电机调速的作用 2 1 环形行波超声波电机运行机理 2 1 1 环形行波超声波电机结构特点口j 环形行波超声波电机的结构和原理相对比较简单易瞳，是目前应用最广泛的超声波电机 之一。本课屈主要研究直牵 为6 0 m m 的环形行波超声波电机的速度控制特性和位置控制特 性。电机外形如图2 - 1 所示。环形行波超声波电机，其核心部分是由压电陶瓷和弹性体组成 的定予及接触面粘有摩擦材料的转子。其中，定子上开有齿槽，转子同定子接触面覆有一层 特殊的摩擦材料，定子背面粘结上压电陶瓷并依靠转子变形所产生的轴向压力紧压在一起。 环形行波超声波电机其结构最大的特点是：定子和转子均为一薄圆环，使得整个电机结构旱 扁圆环形，大大缩小了电机尺寸。 图2 - 1 直径为6 0 r a m 的环形行波超声波电机 图2 - 2 给出了直径为6 0 m m 环形行波型超声波电机用b 0 9 弯曲振动模态对应的压电陶瓷 极化图，圈中a 为行波波长。圈中的阴影区域为未敷银区( 或者对应部分的敷银层被磨去) 。 将压电陶瓷的上下极板分隔成不同的区域。图2 - 2 ( a ) 中相邻两个压电分区的极化方向相反， 分别以“+ ” “一”表示，在电压激励下一段收缩，另一段伸张，构成一个波艮的弹性波。 图中所示的极化分区可组成三个电极，其中a 区和b 区分别表示驱动环形行波超声波电机 的两相电极( 利用压电陶瓷的逆压电效应) 。而孤极区是传感器区( 利用压电陶瓷的正压电 效廊) ，可实时反映定子的振动幅值情况，其反馈信号可用于判断谐振点的漂移，从而控制 驱动电源输出信号的频率。图中，压电陶瓷环的周长为行波波长五的厅倍( 图中 砷) ，a 区和b 区各分区所占的宽度为五2 孤极区宽度为2 4 。 东南大学硕士学位论文 ( a ) 正面 图2 - 2 环形压电陶瓷的极化分割 4 ( b ) 反面 2 1 2 行波超声波电机运动分析0 1 1 1 3 1 由于压电陶瓷相邻分区极化方向相反，在电压激励下，通过压电陶瓷的非零压电应变常 数d 3 1 ，相邻压电分区分别伸张和收缩，从而激发横向长度伸张和收缩振动，可以在定子 弹性体中激发出弯曲振动，如圉2 - 3 所示。 图2 - 3 定子的振动 由于压电体在个驱动信号作用下一般只能获得驻波分布，即使用单相交变电压激励 压电陶瓷环的a 区或者b 区，只能在定子环中激发出单一的驻波振动；而使用两相交变电 压同时澈励a 区和b 区，在一定条件下就可以在定子环中激发出行波振动。这一结论可从 下面的数学推导得到证实。 设a 相、b 相驱动激发的定子驻波分别为： ( x ，) = c o s o c c o s t a t ( 2 一1 ) 第二章行渡超声波电机驱动控制原理 1 ( x ，f ) = 磊e o s k 0 一a ) c o s ( a ) t + ) ( 2 2 ) 式中，h 、w b 为弹性体表面横向位移；六、靠分别为a 相和b 相横向振动的振幅 七= 兰三为弹性波振动的波数；a = 三为弹性波波长； 为周向振动模态阶数；三= 2 石且为 n 定子环圆周长：置为定子长平均半径；毒= n r ；口为a 相振子与b 相振子闯的空闯间隔； 为a 相、b 相驱动电压间的相位差。 如图2 - 2 ( a ) 所示，d = 旯4 ，即a 相振子与b 相振子间的空问间隔相差石1 2 ，则有： ( z ，0 = 磊s i n k x c o s ( a ) t + ) ( 2 3 ) 两列驻波叠加可得定子环表面某一确定质点的振动为 w ( x , t ) = w a x , t ) + w e d = e o s 豇e o s c o t + 4 s i n k x e o s p f + 钟( 2 - 4 ) 当压电陶瓷对称极化时，有已= 品= f ，当a 相、b 相激励电压的相位差在时问上差 9 0 。，则= z 2 ，有 w ( x ，f ) = f e o s ( k x o g t ) 当= 蠡= f ，= - x 2 时 ( 2 5 ) w ( x 。f ) = c o s ( k x + c o t ) ( 2 - 6 ) 由上两式可知，只要a 、b 两相驱动电压相位差为石2 时，在定子环中形成行波，而 且当其中某一相反相时，行波的行进方向相反一即转子反向旋转。 根据式( 2 - 4 ) 定子表面该质点横向振动可表示为 ”( 列) ：一 望盟：蟛s i n ( 缸一f ) ( 2 - 7 ) 其中h 为定子上表面到中性层的距离- 由式( 2 5 ) 、( 2 7 ) 可得定子表面质点运动轨迹方程： w 2 ( r x , t ) + 娶粤：l ( 2 - 8 ) f 。( 触f ) 2 由式( 2 - 8 ) 可见当在定子中形成行波时，其定子表面质点作椭圆轨迹运动。 由式( 2 - 7 ) 可以获得定子表面质点运动的横向速度为 k ( t f ) ：! ! ! ! 旦：一砌# c o s ( i x 一力 ( 2 9 ) o t 在椭圆运动最高点时获得最大值 k = 一勋扣， ( 2 1 0 ) 7 东南大学硕士学位论文 上式中的负号表示定子表面质点运动到椭圆最高点时的运动方向正好与行波前进方向 相反。若不计定转子之间的滑动，且设转子接触面与定子振动波形相切则此时转子速度为 咋。= 一k h ；c o ( 2 1 1 ) 负号同样表示为转子速度与定子振动行波前进方向相反。 2 2 行波超声波电机驱动控制 2 2 1 驱动控制原理1 3 i 环形行波超声波电机的定子环振动分析可以通过模拟等效复合粱的振动来解析。单相激 励下，压电陶瓷片的每个分区所对应的复合粱可作为简支粱来处理。因而求解简支梁的强迫 振动响应，可以得剑单相驱动时的定子振幅为 ( 2 1 2 ) 式中，p 为复合梁的密度，4 为复合粱截面积，为半波长，c 为与复合粱材料结构 相关的常数，屯为对应第2 n 阶谐振频率的频率系数，k 为激励电压，甜为激励频率与 谐振频率之差，p 为第2 n 阶谐振频率，j 表示结构耗散的等效力矩衰减系数。m 式( 2 - 1 2 ) 可得，环形行波超声波电机定子振动振幅主要受电压圪和激励频率偏离定子环第2 n 阶 谐振频率的偏离量a 国确定。 由式( 2 - 5 ) 可求得在一般情况下x 方向位移u ( x ，0 ，速度匕0 ，t ) 分别为： “( x ，f ) ：一h 0 w ( x , t ) ：一a f 【c 。s 缸c o s ( ，一) 一s i n k x e o s c a t 】 靠 吒( x ，) = 垒! 垒o t 盟= 一舭f s i n h s i n c o t - c o s h s i n ( m 卜) 】 在行波振动的波峰点，由o w = ( x 一, t ) = 0 可求得波峰点处， 出 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) c o s h ：；竺竺( 2 1 5 ) c o s 2r a t + c o s 2 卜) s i 。h ：! ! ! ! 丝：! ! c o s 2r o t + c o s 2 ( m 卜) 这样波峰点的处的速度为； s ( 2 1 6 ) 第二章行波超声波电机驱动控制原理 铲山蝴聋筹一丽c o s w 萧t s i n ( c o t 蒯- # ) 协， ；三! ! 竺墅! c o s 2 m f + c 0 5 2 ( c o t 一) 由式( 2 - 1 7 ) - i g ，当电机结构确定时通过调节a 相和b 相驻波的幅值f ，相位差及振 动频率吐，可以控制行波波峰点的速度( 即电机转速) 。 由式( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 7 ) 可知，通过改变环形行波超声波电机两相驱动电压的频率国、电压 幅值吒和它们之间相互的相位差庐，可以控制振动行波的幅值和速度，从而控制电机转速。 2 2 2 驱动控制方法 由行波超声波电机驱动控制原理可知调节电机两相驱动电压的幅值、频率及其相位差 可以控制电机转速。下面通过对直径为6 0 r a m 的环形行波超声波电机进行空载实验研究了几 种常用调速控制方法。 2 2 2 1 调频调速 行波超声波电机的驱动频率范围是由定子的谐振频率块定的。在定子谐振时，振幅最大 因此调整行波超声波电机的驱动频率即改变驱动频率与机械谐振点频率之差，可迅速改 变定子豹共振状态，达到调运的目的。定子在谐振时振幅最大，但在此频率点工作时，电 机的稳定性不好。为了稳定地驱动电机驱动电压频率应大于谐振频率。图2 - 4 为电机转速 一驱动电压频率关系曲线，测试条件为；驱动电压( 峰一峰值) 3 5 2 v 、相位差9 0 0 。由图可 见。采用调频调速在火范围频率调节时具有非线性，且在共振点有尖峰，因此调频凋速有频 段限制。 日 t u 借 啦 图2 - 4 超声波电机转速一频率特性曲线 9 频率( k h z ) 东南大学硕士学位论文 s2 2 2 2 调压调速 改变行波超声波电机的驱动电压可直接改变行波的振幅，因此可实现行波超声波电机的 调速。图2 - 5 为电机转速驱动电压关系曲线，测试条件为：驱动电压频率3 9 k h z 、相位差 9 0 0 。由图可见，该曲线具有良好的分段线性特性，当电压峰一峰值在2 3 0 4 5 0 v 之间。转 速与电压呈线性关系。但是当电压峰一峰值小于2 3 0 v 时，转子停转，即存在死区。 璺 t u 捌 职 图2 - 5 超声波电机转速一驱动电压特性曲线 当驱动电压减小时电机的机械谐振频率点向右移动【4 】，电压小于一定值时电机将工作于 机械谐振频率的左侧，电机的压电陶瓷的共振振幅会突然减小，驱动力陡然降低，将无法克 服定子与转子之间的静摩擦力，转子也就不会转动。此外，当电压高于4 s o v 时，转速进入 饱和区。 2 2 2 3 调相调速 童 差 v 霎 图2 - 6 超声波电机转速一驱动电压相位差特性曲线 o 第二章行波超声波电机驱动控制原理 图2 - 6 为电机转速一驱动电压相位差关系曲线，测试条件为驱动电压( 电压峰一峰值) 3 5 2 v ，驱动频率3 9 k l - i z 。由图可见，特性曲线整体上呈现正弦变化特征，但是在相位差 例 1 5 ”时存在死区。实际工作中，相位差从9 0 0 到2 0 0 逐步变化时行波超声波电机转 子转速将减小。而转子的蠕动现象不会明显增加但小于2 0 。时转速会出现明显蠕动。在固 定驱动电压和频率的情况下，调节两相驱动电压的相位差可调节电机转速，但是这种方法同 样具有非线性调节的问题。 2 2 3 驱动控制方法分析 由上述行波超声波电机转速特性曲线可以看出，三种调速方法各有优缺点。 调频调速方法调速范围大，适合用于在单一变量下超声波电机的控制能够充分发挥超 声波电机低速大转矩、动态响应快、无噪声的优点，同时能保持较高的j 二作效率口j 。但是， 由于频率特性曲线的非线性以及温度对电机参数的影响，使得频率特性的重复性交差，在指 定转速处容易引起转速抖动。 调压调速方法在特性曲线的死区和饱和区之间可实现线性控制，且控制效果较好。但是， 由于死区的存在及其随转矩变化而变化，使得调速范围变窄，低速时难以控制，所以一般不 宣将电压幅值作为单一的控制变量来实现超声波电机的调速扣】。 调相调速方法可实现电机转向的平滑改变，具有良好的柔顺特性，适用于柔顺控制应用 场合。通过调相可以根方便的使电机反转，这是其它两种控制方法无法实现的。但是，调相 调速方法对指定位置的响应速度比较慢，很难满足控制系统的实时性要求j ，】，因此通常将该 方法和其它调速方法结台起来使用，发挥各自特点，更好地满足超声波电机较为复杂的转速 控制要求。 综合分析上述三种行波超声波电机调速控制方法，本文主要采用调节驱动电压频率的方 法来调节电机转速，需要改变电机转向时直接切换驱动电压的相位差( 在9 0 0 和9 0 0 之间切 换) 。 2 3 本章小结 本文简单分析了环形行波超声波电机的结构特点及其运行机理，通过对电机( 直径为 6 0 r a m ) 进行空载实验研究井比较了几种常用电机驱动控制方法一一调频嘲速、调压调速和 调相调速。根据三种控制方法的特点，本文提出了调频调速( 调节电机转速) 和调相调速( 直 接切换相位差从而改变电机转向) 相结台的方法，进一步研究超声波电机控制特性。 东南大学硕士学位论文 第3 章基于d s p 的超声波电机控制系统的研究与设计 根据第二章分析的行波超声波电机驱动控制方法，为了便于研究行波起声波电机的速 度、位置控制特性需要设计一个超声波电机控制系统实验平台，因此本章重点研究并设计 了基于d s p 的超声波电机控制系统该控制系统由上位机和下住机两部分组成，其中上住 机为p c 机，可针对不同控制目的设置相应的人机交互界面；下位机按功能划分为两部分： 超声波电机驱动控制器和超声波电机测试平台。本章主要讨论上述超声波电机控制系统的硬 件电路设计和软件设计 3 1 系统功能分析及结构设计 3 1 1 系统功能分析 本课题主要研究行波超声波电机的速度、位置控制特性，因此需要设计一个具备下述功 能的超声波电机控制系统实验平台。 a 、超声波电机驱动控制 由超声波电机运行机理可知，行波超声波电机是在两相具有一定相位差的高频电压驱动 下运行的，因此，超声被电机控制系统首先应该具备驱动控制功能。由第二章提到的超声波 电机驱动控制原理可知，超声波电机转速与两相驱动电压的幅值、频率及相位差密切相关。 因此控制系统的驱动控制模块应当能够产生两相驱动电压且两相驱动电压的频率、相位差、 占空比分别可调。此外，该功能模块町通过软件模拟各种控制器的控制算法实现电机转速、 位置的闭环控制。 b 、超声波电机转速和位置测量 针对本课题研究内容，测量超声波电机转速和位置信息是控制系统必须具备的一个重耍 功能。和电磁电机相比，赳声波电机具有低速大转矩的优点，对于转速相对较低的超声波电 机- 可采用光电编码器作为电机转速和位置的传感器。光电编码器随电机转动反馈回两路正 交编码脉冲序列信号，通过检测这两路脉冲序列可检测出电机转速及位置信息。为方便测速， 超声波电机控制系统最好具备正交编码电路接口。 c 、参数显示 课题主要研究行波超声波电机的转速、位置控制特性，为了便于观察实验结果，控制系 统应当具备显示电机转速、位置曲线及相关控制参数变化曲线的功能。 d 上下位机系统 上位机能够观察下位机，并对下位机的运行进行有效控制。超声波电机控制系统可设计 成上下位机系统以提高整个系统的完整性。p c 机作为上位机。超声波电机驱动控制器作为 下位机，两者协同工作，组成一个完整的超声波电机控制系统。上下位机之间通过串行接口 进行通信，p c 机具有常用的r $ 2 3 2 接口和u s b 接口因此下位机最好具备相应的接口。 1 2 第三章基于d s p 的超声渡电机控制系统的研究与设计 3 1 2 系统结构设计 为实现上述功能，超声波电机控制系统结构框图如图3 - 1 所示。整个控制系统由p c 机， 基于d s p 的控制电路、驱动电路、d a c 电路、衣波器、环形行波超声波电机和光电编码器 组成。控制系统分为上位机和下位机两部分。上位机采用p c 机，可针对不同控制目的设置 相应的人机交互界面。下位机按功能划分为两部分：超声波电机驱动控制器和超声波电机铡 斌平台。其中，超声波电机驱动控制器由基于d s p 的控制电路和驱动电路组成。超声波电 机测试平台由环形行波超声波电机、光电编码器、d a c 电路和示波器组成。光电编码器的 类型有2 0 4 8 线、5 0 0 0 线和1 0 0 0 0 线，视系统需要而定。通过测试平台能够很方便的测量 和观察箨种实验结果，便于系统调试、提高工作效率。上、下位机之间的通信可选择r s 2 3 2 或c a n 接口，满足不同通讯速率的控制要求。 固3 - 1 超声波电机控制系统结构框图 3 2 系统工作原理 如系统结构框图所示，超声波电机控制系统主要由上位机、超声波电机驱动控制器和测 试平台三部分组成。上伊机通过人机交互界面控制下位机运行i 测试平台负责测量并在示波 东南大学硕学位论文 器上显示电机转速及位置信息；超声波电机驱动控制器是核心部分，负责完成超声波电机驱 动控制以及和控制系统中其它模块的接口实现。本课题主要研究行波超声波电机的速度、位 置控制特性，因此，控制系统需要完成测量电机转速和位置、转速控制、位置控制、参数显 示以及人机交互等任务。 测量电机转速和位置的工作原理如下：超声波电机的转轴和光电编码器通过机械耦合装 置相连接，光电编码器髓电机一起转动并反馈回宅机转速及位置信息。基于d s p 的控制电 路以1 1 公司的d s p 芯片为核心d s p 芯片内部具有正交编码电路接口，可接收光电编码器 反馈回来的正交编码脉冲序列信号，根据两路序列信号可判断电机转向并计算电机速率、位 置。 转速控制的t 作原理如下：基于d s p 的控制电路根据光电编码器反馈信号测量电机转 速，然后利用d s p 软件实现的各种控制算法对电机进行转速闭环控制。根据控制算法得到 的控制量不断调节驱动电路产生的两相驱动电压的频率或相位差，最终实现对电机转速的精 密控制。 位置控制的工作原理如下：利用d s p 芯片的内部定时器对光电编码器反馈回来的脉冲 序列进行计数，光电编码器旋转一周产生n 个脉冲，根据计数器的计数个数可获得电机位 置信息，根据位置信息对电机进行位置闭环控制。 参数显示的工作原理如下：为r 更直观地观察超声波电机的速度控制和位置控制实验结 果，d s p 根据光电编码器反馈回来的脉冲序列信号计算出电机转速或位置，然后通过s p i 接口将其发送到d a c 电路，利用d a 变换将电机转速或位置信息转换成连续变化的模拟量， 通过示波器可直接观察电机转速和位置变化曲线，除了显示超声波电机转速及和位置变化曲 线以外，还可以利h j 上述方法显示电机驱动电压频率、相关控制算法的控制参数等重要信息。 人机交互的工作原理如下：在上位机设置人机交互界面，通过r s 2 3 2 串行接口或者 u s b c a n 转换器和基于d s p 的下位机进行通信，观察并控制下位机的运行情况。 3 3 系统硬件设计 由系统结构框图可见，箱声波电机控制系统的硬件设计主要包括基于d s p 的控制电路 设计、驱动电路设计和d a c 电路设计三部分内容。基于d s p 的控制电路主要完成测量电机 转速、位置| 三i 及和上位机、驱动电路、d a c 电路的接口实现；驱动电路主要负责给超声波 电机提供两相高频交流驱动电压；d a c 电路利用d a 变换，将电机转速和位置信息、驱动 电压频率及相关控制参数转换成连续变化的模拟量，便于在示波器上观察。 3 3 1 基于d s p 的控制电路设计 在超声波电机控制系统中，基于d s p 的控制电路是整个控制系统的核心。它主要负责 测量电机转速和位置，各种控制算法的软件实现姒及和上位机、驱动电路、d a c 电路的接 口实现。为便r 实现上述功能，采用t i 公司的d s p 芯片为核心设计控制电路。1 1 公司推出 的基于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台的定点d s p 芯片不仅具有运行速度高，处理能力强、功耗低等优 点，还具有丰富的片内外鼓资源，便于接口化和模块化设计其性价比极高，目前广泛应用 于数字电机控制、工业自动化、电力转换系统及通信t 备等应用场合i l 】。 1 4 第二章善于d s p 的超声波龟机控制系统的研究与设计 在研究本课题的过程中。首先使用了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制电路，随 着课题研究的进一步深入该控制电路己不能满足系统控制要求，因此在其基础上改进并设 计了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 的控制电路。 3 3 1 1 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的控制电路 _ 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介“ t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 1 公司生产的一种1 6 位定点d s p 控制器，具有很强的数字信号处 理能力，包括串行通信接口( s p i 、s c i ) 模数转换器( a d c ) 。事件管理器( e v m ) c a n 接口等片内外设资源以及开门狗等系统保护电路。该芯片具有以下特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗： 系统晟高工作频率为4 0 m h z ，提高了控制器的实时控制能力； 片内存储器资源丰富具有3 2 k 字的f l a s h r o m ，1 5 k 宇的数据，程序r a m ，5 4 4 字 的d a r a m 和2 k 字的s a r a m ； 支持j t a g 边界扫描； 片内有两个事件管理器模块( 该模块非常适台用于电机控制) ，每个模块包舍：两个1 6 位通用定时器、8 个1 6 位的p w m 通道，3 个捕获单元、片内光电编码器接口电路； 控制器局域网( c a n 2 o b ) 模块； 串行通信接口( s c i ) 模块、串行外设接口( s p i ) 模块； l o 位的a d c 模块，具有1 6 通道： 丰富的中断资源，便于软件设计 电源管理包括三种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 该款d s p 控制器的功能框图如卜所示： d a r a m 舯)锁相环与 八 么 2 5 6 字 时钟模堤 c 2 x x a r a m ( b 1 )1 0 位 d s p c 0 r e 2 s 6 字 d ( 模块 d a l 认m i ，。入￥冬 燕墼 燃隧蒸。燕攀 第四章行波超声波电机转速挖制特性的研究 表4 - 2 模糊控制规则表 e ( k ) k p n mn szp sp m n m b bsss n sbmzsm d e d tz bmzsb p smszmb p mms s ，bb 说明：n m 一负中、n s 一负小、z 一零、p s 一正小、p m 一正中、s 一小、m 一中、b 一大 4 2 3 3 实验结果及分析 超声波电机两相驱动电压参数如表4 - 3 所示，根据不同的控制算法( 控制周期为2 m s ) 计算出电机驱动电压频率，电机需要换向时直接切换两相驱动电压相位差。图4 1 2 为超声 波电机速度参考曲线及其频谱图参考曲线是周期为2 s 的正弦渡曲线，图4 1 2 ( b ) 是参考 曲线的频谱国，由圈可见，标准正弦曲线的频谱国只含有o 5 l - l z 的频率分量，没有其它任何 谐波分量。频谱图可为以下实验结果的精确性提供参考依据。 表4 - 3 超声波电机两相驱动电压参数 i 峰峰值 3 5 2 v l 相位差帅。或9 0 0 频率 3 8 5 k h z 4 1 k h z ( a ) 速度参考曲线 二j 弓寸者1 薪m ( b ) 频谱图 图4 1 2 超声波电机的速度参考曲线及其频谱图 4 l 东南大学硕士学位论文 a 、p i d 控制实验结果 p i d 控制的控制参数如表4 - 4 所示。图4 1 3 为采用p i d 控制的超声波电机速度控制曲 线及其频谱图。由图可见，转速变化严重非线性的高速区依然存在较大的转速抖动。由图 4 一1 3 ( b ) 的频谱图可见采用p i d 控制的电机转速控制曲线含有较大的谐波分量，根据正 弦波波形失真度计算公式1 6 1 ，上述情况的转速控制曲线失真度为2 1 8 5 。 表4 4 p i d 控制参数 l 控制刷期 比例增益( k p l 积分增益f k i )微分增益( k d ) 2 m s0 530 0 5 ( a ) 速度控制曲线( b ) 频谱国 图4 1 3 采用p i d 控制的超声波电机转速控制曲线及其频谱图 b 、模糊比倒控制实验结果 图4 1 4 为采用模糊比例控制的速度控制曲线及其频谱图、驱动电压频率和控制参数的 变化曲线。模糊控制环节能够根据电机当前运行状况推导出合适的控制参数，通过比例控制 环节不断调节驱动电压频率，尽量使电机转速符合控制要求。由图4 - 1 4 ( c ) 的驱动电压频 率变化曲线及控制参数变化曲线可见，针对受频率变化影响较人的高速区，模糊比例控制能 够更准确的根据电机实际运行情况调节驱动电压频率，有效抑制了转速抖动。由图4 - 1 4 ( b ) 频谱图可得，速度控制曲线的失真度为1 7 3 2 。和前述p i d 控制实验结果相比，采用模糊 比例控制的速度控制曲线更加逼近图4 - 1 2 ( a ) 所示参考曲线，失真度较小，说明该方法控 制精度高。 第四章行波超声波电机转速控制特性的研究 c a ) 速度控制曲线 jt ， i m 5 l ) ( b ) 频谱图 ( c ) 驱动电压频率及比例控制参数变化曲线 图4