（电机与电器专业论文）超声波电机瞬态特性测试和理论研究.pdf

浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i so n eo fn e wk i n dm o t o r s i th a sas h o r th i s t o r yo fa b o u t 2 0y e a r s ，a n di sd r i v e nb yf r i c t i o nb e t w e e ns t a t o ra n dr o t a t o r n o wi th a saw i d e ra n d w i d e ra p p l i c a t i o ni nc i v i li n d u s t r y , l i k ec a m e r ai n d u s t r y , a u t o m o b i l ei n d u s t r y , e t ca n d h i g h - t e c hi n d u s t r y , l i k ea e r o s p a c ei n d u s t r y , b i o m e d i c i n ei n d u s t r y , e t cb e c a u s eo fi t s l l i g ht o r q u e 1 0 ws p e e da n da n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i th a sag r e a tu s ee s p e c i a l l yi nt h em i e r o m a n i p u l a t i o na r e a , i nw h i c hi ti sa l w a y s w o r k i n ga th i 曲f r e q u e n c yo fc o n v e r s i o nb e t w e e no i la n do f f s oi t i sh e l p f u la n d m e a n i n g f u lt os t u d yt r a n s i e n tr e s p o n s eo f u s m c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tp r i n c i p l e so fmm e t h o d , tm e t h o d , m tm e t h o da n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fu s m ，w ec h o o s etm e t h o df o r0 1 1 1 m e a s u r e m e n ts y s t e m w eu s e d s pa n di t sp e r i p h e r a l c i r c u i tt oc o l l e c ta n dt r a n s m i td a t a , p cf o rd a t ar e c e p t i o n , d i s p o s i n ga n dg r a p h i c sd r a w i n g b ye n m p a r i n gt h ed i f f e r e n tr e s u l tg o tt h r o u g ht h e t h r e ew a y s ，w ea n a l y z e dt h es t r e n g t ha n dw e a k n e s s o fe a c hm e t h o da n df o u n do u tt m e t h o di st h em o s ts u i t a b l eo n e t h r o u g ht h eg r a p h i c so fs t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i co fu s m ，w ef i n dt h e r ei sav e l o c i t y f l u c t u a t i o n , w h i c hm e a n su s m i sas e c o n do r d e rs y s t e mi n s t e a do ff i r s to r d e rs y s t e m s ow eh a v et ot r yt of i n dt h es p r i n g sa n dm a k ee m e n d a t i o nt ou s m se q u a t i o n so f m o t i o n t h e r e r ef o u rp o t e n t i a ls p r i n g s ：s h a f t ，r o t a t o r sd i s k , e n c o d e ra n de l a s t i cc o n t a c t b e t w e e nr o t a t o ra n ds t a t o r i t sd i f f i c u l ta n di m p o s s i b l ef o ru st oc a l c u l a t ee a c h s p r i n g sr i g i d i t y , s ow eu s ea n s y s a n dm a t l a bt og e tr i do ft h o s es p r i n g so n eb y o n e a tl a s tw ef i n do u tt h es p r i n gw o r k sd u r i n gt r a n s i e n tp r o c e s si se l a s t i cc o n t a c t b e t w e e nr o t a t o ra n ds t a t o r a f t e rt h i s ，w em a k eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fe a c hf a c t o rt h a tc a ni n f l u e n c eu s m s v e l o c i t yf l u c t u a t i o n , w h i c hm u s tb eh e l p f u lf o rd e e p e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o rt r a n s i e n tr e s p o n s etm e t h o de l a s t i cc o n t a c t t h e o r e t i c a la n a l y s i s 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s 时 第一章绪论 1 1 超声波电机的工作原理及发展历史 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的 一种新概念驱动器。有别于传统电磁型电机通过电磁场作为介质来传递能量的驱 动原理，超声波电机利用定转子之间的摩擦力将压电晶体的机械振动转变为直线 运动或回转运动，是一种以压电晶体在超声波频域的机械振动( u m 级) 为驱动 源的新型驱动器“_ 4 1 。 以行波型超声波电机为例，它是通过将a 、b 两组振动在空间和时问上的组 合来形成定子表面质点的椭圆运动的，如图1 1 所示。其他类型的电机也是通过 不同振动模态和结构的组合来实现定子表面质点的椭圆运动，然后通过预压力使 定转子直接接触，从而由定转子之间的摩擦力将定子质点的椭圆运动转化为转子 的直线运动或旋转运动的。 图i i 行波型超声波电机原理图 虽然超声波电机是在1 9 8 2 年指田年生提出行波型超声波电机开始才走向实 用的道路，但是对于超声波电机的研究早在这以前就已经开始了。超声波电机的 发展可分为三个阶段，即超声波电机概念阶段、具有实用前景的超声波电机样机 研究阶段和超声波电机产业化生产及应用阶段。1 9 4 2 1 9 7 0 年为超声波电机的 理论基础研究及实验室原理样机研究阶段；2 0 世纪7 0 8 0 年代中期进入超声波 电机实用产品的研制阶段；1 9 8 7 年下半年开始进入超声波电机真正的工业应用 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t y 阶段。1 。 从1 8 8 0 年居里夫妇发现压电效应以来，人们就开始了对压电晶体的研究。 1 9 4 2 年，美国学者a w i l l i a m s 和w b r o w n 申请了第一个超声波电机的模型专 利。之后，在1 9 6 4 年，原苏联的vvl a v i r e n c o 利用压电陶瓷片制作了第一台 旋转超声波电机，并用等效电路的方法分析了压电陶瓷片的振动。1 9 7 2 年前后， 德国西门子公司和日本松下公司研制出了利用压电谐振工作的直线驱动电机，并 为此申请了超声波电机的第一个有样机的专利。1 9 7 3 年，i b m 公司的h vb a r t h 研制出了由压电体( p z t ) 提供振动并通过摩擦来驱动的超声波电机。与此同时， 苏联的vvl a v r i n e n e o 和华西列夫等人也提出了原理相同的超声波电机，但是 由于这类电机在运转时发热和磨损都比较严重，所以这些样机都没能得到实际应 用。直到1 9 8 2 年指田年生发明了行波型超声波电机，实现了由定点定期接触变 换成多点连续不断驱动，大大地减小了定子和转子接触面上的磨损，使超声波电 机真正拥有了实际的应用意义“。”。 薇子( 1 ) 0 f s m 粥 o 压毫体tmelina w a v e 图1 2h v b a r t h 发明的超声波电机 图1 3 指田年生发明的行波型电机 此后，日本的新生、松下、佳能、日电等公司和东京工业大学、山形大学、 东北大学等高校，共4 0 多家科研单位投入了大量的资源从事超声波电机的研究。 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，德、法、美、英、中、韩等许多国家都开始了超 声波电机的研究。现在，超声波电机已经成功地应用到航天、汽车、照相机、i t 、 导弹、精密控制、机器人等许多领域。相信随着研究的深入，性能的改善，超声 波电机将和传统电磁型电机形成良好的互补，拥有更加广阔的应用前景阮毋。 1 2 超声波电机的分类 超声波电机是依靠定子表面质点的椭圆运动来驱动转子的。因此，我可以将 2 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 不同的振动模态和电机结构组合起来，实现不同类型的超声波电机。2 0 多年来， 出现了各种原理、形式和结构的超声波电机，根据不同的分类依据，超声波电机 可以有多种不同的分类方式“2 4 ”。 按照驱动方式的不同，超声波电机可以分为行波型超声波电机、驻波型超声 波电机和电致伸缩公转子型超声波电机等。 按照定子振动和驱动模式的不同，又可以分为单一振动模态超声波电机和复 合振动模态超声波电机等。 按照电机的运动方式不同，又可以分为旋转型超声波电机和直线型超声波电 机，也有学者提出球型电机应该属于新的类别，因为旋转型超声波电机和直线型 超声波电机通常都是单自由度的，而球型超声波电机，通过四个或三个定子对圆 球的驱动，可以合成为两个或三个自由度的运动。 按照电机定转子的接触方式不同，超声波电机又可以分为直接接触型超声波 电机和非直接接触型超声波电机。其中非直接接触型超声波电机定转子之间的介 质又有液体和气体的区别。直接接触型超声波电机通过定转子之间的摩擦力直接 驱动转子，具有低转速、大力矩的特点，而相对的，非直接接触型超声波电机的 定转子没有直接接触，因此摩擦力小，虽然电机转速较高，但力矩较小。 其实，各种分类方式只是分类的依据不同，相互之间并不是完全独立的，同 一个电机根据不同的分类方法可以属于不同类型的电机。比如，纵扭复合型超声 波电机，即属于驻波型复合振动模态超声波电机，又属于旋转型超声波电机，同 时也是直接接触型超声波电机。相信随着仿生学、结构力学、材料力学等相关科 学的发展，将会出现越来越多其他类型的超声波电机。 1 3 超声波电机的特点和应用 由于超声波电机区别于电磁型电机的驱动原理，它也具有许多传统电磁型电 机所不具备的优点： l 、结构简单、设计灵活。由于超声波电机并不是依靠电磁场来传播能量，所以 超声波电机不需要铜线，结构比较简单、紧凑，体积较小。另外超声波电机 的结构设计也比较灵活，甚至可以是中空结构，比如佳能公司用于调焦的超 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 声波电机和浙江大学超声波电机实验室研制的纵扭复合型大力矩超声波电 机。 2 、电磁兼容性好，抗电磁干扰能力强。正是由于超声波电机驱动原理的独特性， 超声波电机的运动过程中并不出现电磁场，因此超声波电机具有较强的抗电 磁干扰能力，适用于航天航空等工作环境恶劣的行业。 3 、断电白锁能力。超声波电机的定转子是借助预压力接触在一起的，定转子之 间的摩擦力在电机断电之后产生巨大的制动力，加上超声波电机转予的转动 惯量通常较小，因此电机能够快速停止。 4 、微位移、响应快的特性。超声波电机是通过压电晶体的振动来驱动的，而压 电晶体的振幅一般为微米、亚微米，甚至纳米，所以位景分辨率高，而且可 以通过定转子表面的接触快速响应，再加上转子惯性小，断电自锁的特点， 超声波电机可以进行高精度的定位控制。 5 、低转速、大力矩。超声波电机的摩擦传动机理决定了它是一种低速电机，而 且定转子表面直接接触，电机的输出力矩较大，它的转矩密度甚至可以达到 电磁型电机的1 0 倍以上。 6 、运行无噪声。超声波电机的驱动源压电晶体，在电机工作时的振动频率 通常在2 0 k 赫兹以上，超出了人类耳朵能够辨别的频率范围，所以电机运行 时噪声很小。 当然，超声波电机并不是完美无暇的，除上述提到的优点外，超声波电机的 驱动原理同时也带给超声波电机一些急需改进的缺点： 1 、需要专门的驱动电源。为了能够使压电晶体工作在高频振动的状态下，超声 波电机必须有专门的高频驱动电源。 2 、效率低。超声波电机的摩擦传动机理决定了电机的很大一部分能量消耗在定 转子之间的摩擦上，同时高频电源也会消耗部分能量，因此超声波电机的效 率目前大多在3 0 一下。 3 、加工工艺要求较高。压电晶体的振幅很小，通常只有微米级，因此超声波电 机对定转子表面的平整度和压电陶瓷的加工、粘接工艺要求都比较高。 4 、磨损、发热问题。电机运行时定转子表面的摩擦，必定带来摩擦材料的磨损 4 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s 时 和发热问题；同时，压电晶体的高频形变、振动也是发热的原因之一，这些 直接影响了超声波电机的寿命。 5 、造价较高。正是由于以上提到的l 、3 、4 点，加上现在超声波电机批量生产 较少，所以超声波电机的造价比较高。 因此，如何发挥超声波电机的优势、改进它的缺点，不仅是超声波电机的研究、 开发人员需要关心的问题，也是超声波电机的生产厂商和用户的关注点，因为它 关系到超声波电机的应用和推广，需要大家的一起努力。 1 4 国内外超声波电机的应用和研究噱”m 1 4 1 国内外超声波电机的研究 国外超声电机技术在2 0 世纪八十年代以来得到了迅速的发展和应用。日本 一直处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声电机技术的发明专利。在日 本，几乎各知名大学都对超声电机进行了研究。超声电机的主要开发和生产厂家 有佳能，f u k o k u ，a s u m o ，精工仪器，新生工业，京瓷，奥林巴斯光学工业， m i t s u b a 等。2 0 世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国、土耳其、 瑞士、韩国和全世界其他一些发达国家都开始了超声电机的研究，其中以美国发 展得最快，应用的领域也最广，除了较早开始研究超声波电机的麻省理工学院 ( m i t ) 之外，很多著名高校如s t a n f o r d 、b e r k e l e y 等都具备了很高的研究水平， 另外，由于超声波电机在航天航空行业中的良好应用前景，美国国家航空宇航局 ( n a s a ) 和喷气推进实验室( j p l ) 也对超声波电机的研究投入了大量的资源， 并和b e r k e l e y 合作，成功地将超声波电机应用在了火星登陆车上。 我国超声电机研究的起步和美、德、法、南韩等国差不多。现在已经有清华 大学、浙江大学、东南大学、南京航天航空大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、 华中科技大学、山东大学、山东科技大学、上海大学、福州大学等多所高校开展 了对超声波电机的研究，其中以南京航天航空大学、东南大学、浙江大学、清华 大学的研究较为深入，并有各自的特色：南京航天航空大学是我国较早开展超声 波电机研究的单位；东南大学在驱动控制方面较有优势，浙江大学在郭吉丰教授 的领导下，在军用小电机、纵扭复合型超声波电机、行波型超声波电机等方面的 5 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 。z h e j i a n gu n i v e r s i t y 研究都形成了自己的特色，如图1 4 和1 5 所示；清华大学在周铁英教授的主持 下，微型超声波电机的研究开展地有声有色，如图1 6 所示： 此外，中科院声学所、上海硅酸盐研究所、西安微电机研究所、中电科技集 团2 l 所等研究所对超声波电机配套材料的研究，比如上海硅酸盐研究所对压电 单晶的研究，中电科技集团2 1 所对摩擦材料和粘接技术的研究为我国超声波电 机的发展解决了关键性的问题。现在，已经有国电南自公司、广州兰天超声电机 技术公司、江苏海鹰集团公司、常州宏华电子等公司开始关注超声波电机的产业 化问题“”。 1 4 2 国内外超声波电机的应用 随着世界各国对超声波电机研究的深入，超声波电机在各个领域的应用也越 来越多。早在1 9 8 6 年获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜便成功地应用了超 声波电机；此后，佳能公司率先将圆环行波型超声波电机正式应用在照相机的 自动调焦系统中；现在，不仅仅是普通相机采用了超声波电机，韩国三星公司已 经把超声波电机成功地应用在手机摄像头的调焦系统中“”。 此外，在其他民用领域，佳能公司将超声波电机应用在了复印机当中，如图 6 浙江大学电气工程学院 c o l l e g e o fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 1 8 所示；德国奔驰公司准备将超声波电机应用在汽车车窗的驱动装置中，同时 超声波电机还可以用于雨刮器、座椅调整的其他驱动装置中，也可以用于汽车的 电喷系统中；拥有自校正功能的由超声波电机驱动的手表也已经有成品面世，如 图1 9 所示；超声波电机运行无噪声的优点也使它在窗帘行业有了应用的前景。 由于超声波电机的强抗电磁干扰能力，除了民用领域，超声波电机还在航空 航天领域得到了应用。前面提到，美国已经成功的将超声波电机应用在火星登陆 车上。法国c e d r a tt e c h n o l o g y 公司也为人造卫星h e l o s 研制了直线型超声电机， 如图1 1 0 所示。我国也在军用导弹和卫星上寻求超声波电机的应用。 另外，超声波电机微位移、断电自锁以及响应快的特点决定了它适用于高精 度定位控制。美国n a n o m o t i o n 公司h r 系列压电型直线电机做成的定位系统， 具有分辨率l o o n m ，定位精度0 2 s u m 。德国p i 公司最近推出的定位系统，定位 精度达5 0 纳米级。这样的高精度定位更被用于生物和医疗行业。日本t h i g u c h i 等人在实验室利用基于压电型冲击式直线电机的纳米定位技术和图像处理技术， 研制出一套自动化细胞微穿刺操作系统。 此外，机器人、机械手臂等方面也是超声波电机应用的一个重要领域，如图 1 1 3 和图1 1 4 所示。总之，超声波电机的优点已经得到越来越多的重视，在各 个行业的应用也越来越多。 7 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 1 5 超声波电机瞬态特性的研究现状及本文研究的意义 由前面提到的超声波电机特点和应用状况可以看出，超声波电机在精密定位 领域有很大的优势。这是由超声波电机自身的特性决定的：超声波电机以压电晶 体的形变为驱动源，压电晶体的响应很快，而且形变的数量级是微米甚至纳米级， 这决定了超声波电机的微位移特性；又由于超声波电机的转速较慢，转子转动惯 量较小，而且定转子之间的摩擦较大，所以超声波电机能够断电自锁，过冲量很 小，这就决定了超声波电机良好的定位特性。 超声波电机在应用于精密控制领域时，往往不是连续工作，而是断点工作的， 甚至是步进工作的，因此超声波电机需要不断地起动和关断。虽然超声波电机具 有微位移和断电自锁的特性，但是超声波的瞬态特性，特别是起动特性并不是理 想的阶跃特性，从起动到速度稳定大约需要5 6 m s 的时间。因此，研究超声波 电机的瞬态过程，改善电机的瞬态特性就有了重要的意义。为此，国内外学者花 费了很大的经历。 超声波电机是一个电学、化学、物理学的交叉学科，它的瞬态过程也是一个 多学科交叉作用的过程，特别是它的摩擦传动过程是一个非常复杂的过程，也是 非常关键的一个过程。国外学者早在2 0 世纪9 0 年代就开始研究定转子之间的摩 擦接触模型，并在2 0 世纪9 0 年代末和本世纪初，开始采用更加符合实际情况的 面接触模型代替原先的线接触模型，并考虑了摩擦材料的弹性和剪切模量。更有 学者对定转子之间的面接触模型进行了详尽的数学分析，考虑了在驱动过程中驱 动区和阻碍区、滑动摩擦和静摩擦同时存在的情况，并分析了预压力、振动幅值 和摩擦材料对于他们的影响，对定子和摩擦材料的接触面做了详尽的分区。通过 8 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 严密的数学推导得到了不同预压力、振动幅值和摩擦材料的情况下，驱动区、阻 碍区、滑动摩擦区、静摩擦区的计算方法，并以此对超声波电机的驱动方程进行 了修正。同时，国内的学者也作过类似的研究，比如东南大学的石斌博士，浙江 大学的郭吉丰教授和王光庆博士都对超声波电机的起动模型作了大量的研究，并 提出了自己的修正意见。此外，国内学者就超声波电机起动过程中的速度振荡问 题和引起振荡的弹性环节提出了很多假设，并做了大量的实验研究。 本文的研究意义有两个：首先，通过分析了解超声波电机的瞬态特性，主要 是起动关断特性，选择适合超声波电机瞬态特性的测试方法和软硬件设备，为实 验室搭建一套超声波电机瞬态特性测试系统，为实验室以后的研究提供数据和检 验依据，同时，也可以为电机控制提供数据反馈；其次，通过对比实验和a n s y s 、 m a t l a b 等仿真结果找出引起超声波电机瞬态过程中速度振荡的弹性环节；分 析实验数据，结合机械、振动学、运动学等知识，建立超声波电机起动模型，并 对超声波电机的运动方程进行修正，使其能够适用于超声波电机瞬态运行的情 况，为以后超声波电机瞬态特性和接触模型的研究奠定一些理论基础。 9 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t d c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 第二章超声波电机瞬态特性测试系统 2 1 瞬态特性的测试原理及方法 超声波的瞬态特性包括瞬时速度、位置、输出力矩、输入电压、输入电流等 等多个参数，我们这里关注的主要是瞬时速度和瞬时位置。瞬时速度和瞬时位置 ( 或者角度) 的测试很常用的方法是借助光电编码器的光电转换功能，将位置和 角度等机械几何位移量转化为脉冲或数字信号。 借助光电编码器来测量瞬时速度和瞬时位置的方法最常见的有：m 法、t 法、 m 厂r 法“嘲，三者测量方法原理各异，各有优缺点： m 法是通过直接计取给定采样周期内的光电编码器脉冲数来测量转速，计算 公式如下： u = o ( t + 了t ) - 一8 ( t ) 器( r i m i n ) 其中o ( t + t ) 为采样周期结束时电机对应的角度，o ( t ) 为采样周期起始时电机对 应的角度，r 为固定的采样周期。通过分析m 法的原理图，我们可以清楚的看 到，在光电编码器脉冲和计时脉冲起始位置一致的情况下，采用m 法的最大采 样误差为一个光电编码器脉冲。它的最大测量误差为名。，其中 m 表示在给定 采样周期r 内光电编码器的脉冲个数，和采样周期r 、光电编码器线数以及电机 的转速都有关系。通常光电编码器的线数在选定编码器后就不能改变，而采样周 期和分辨率是一对矛盾，并不能一味地减小采样周期，所以要减小测量误差，只 1 0 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t y 能希望转速较高，才能使变大，测量误差减小，所以m 法适合转速较高的情 况。 t 法是通过测量两个相邻光电编码器信号的间隔时间来测量转速，其计算公 式如下： 口6 0 d = r ( 占+ 目) 一f ( 占) 3 6 0 。 ( r m i m 编码器脉冲 计时脉冲 图2 2t 法的原理图 其中0 为一个光电编码器脉冲所对应的角度，f ( 占) 为光电编码器脉冲信号上升沿 对应的时间，f p + 口) 为下一个光电编码器脉冲信号的上升沿对应的时间。通过 分析t 法的原理图，我们不难看出，采用t 法的最大采样误差为一个计时脉冲。 它的最大测量误差为，其中表示在两个相邻光电编码器信号的间隔内d s p 计时脉冲的个数，和计时脉冲的频率、光电编码器线数以及电机的转速都有关系。 其中，光电编码器的线数通常在选定编码器后就不能改变，而计时脉冲的频率有 一个上限，不能无限提高，所以转速较低的情况下，鸭反而会较高，测量误差 就较小，因此t 法适合转速较低时的测量。 m t 法结合了m 法和t 法的优点，原理如图2 3 所示，它的基本思想是通 过捕捉光电编码器信号的上升沿来启动采样周期定时器，并在给定周期定时结束 后适当延时，等待光电编码器脉冲计数完整。这样就将最大采样误差由m 法测 量时的一个光电编码器脉冲降为t 法测量时的一个计时脉冲，又克服了t 法在 电机高速运转时的测量误差较高的缺点。是一个同时适用高速和低速的测量方 法。m t 法的计算公式如下： 浙江大学电气_ t - 程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 。= 旦t = 舞a t 黑3 6 0 c 蛐， r + 。 ” 码器脉冲 采样周期 计时脉冲 其中，t 为采样周期，可根据实验要求和经验给定，通常为了保证足够的采样点， 不宜将t 取得过长，当然也不宜过短，如果采样周期疋小于电机转过一个光电 编码器脉冲对应角度所需要的时间，那么m t 法就成为了t 法。a t 为定时周期 结束后的延时，等待被测脉冲计数完整，n 为采样周期内的光电编码器脉冲个数 再加1 ，巩为每个光电编码器脉冲所对应的角度，和光电编码器的线数有关。 可以说，三种方法各有特点。在此之前，国内的一些高校如东南大学、浙江 大学、南京航天航空大学都曾经开发过相关的测试系统：浙江大学曾经开发了基 于单片机和数据采集卡的纵扭复合型超声波电机瞬态特性测试系统，由i n t e l 5 1 系列中的8 9 c 5 1 单片机来执行上位机p c 的指令，包括数据采集、存储等功能， 并通过p c l - - 8 1 8 l 数据采集卡进行a d 转换并将数据传给上位机，角分辨率达 到了o 0 0 5 。“8 ；东南大学开发了一套基于磁粉控制器、转速转矩传感器和p c 的测试系统，p c 通过r s - - 2 3 2 电路来控制磁粉控制器，达到模拟负载的目的， 并通过c a n 总线来连接测试板和p c ，同样是由p c 来完成最后的显示和数据处 理，但是所需设备较多，成本较高。1 。此外，他们开发了另两套基于高频数字示 波器的测试系统，其中一套系统基于高频示波器和p c ，利用示波器的高速采集 和存储功能来实现测试功能，采集结束后再将数据传给p c ，并由p c 来完成数 据处理工作，但是限于采集频率有限，速度的分辨率有限，而且采集时间只能达 到2 s ；另一套系统则基于d s p 和示波器，利用d s p 完成数据采集、转速计算和 1 2 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t y d a 转换等功能，然后直接在示波器中输出。南京航天航空大学也开发了类 似的测试系统。 以上方法虽然测试的硬件平台不同，但是所采用的基本都是m 法或者t 法。 通过分析超声波电机的速度特性不难发现，超声波电机的转速相对都比较低，但 是起动过程很快，时间很短。假设电机的最高转速达到1 2 0 r m i n ，采用5 0 0 0 线 的光电编码器情况下，t 法也能够保证足够的精度，如表2 1 所示；同样，m t 法也具有较高的精度，而m 法在超声波电机低速，但起动快的情况下，不仅测 量精度不能保证而且存在速度分辨率较低的问题。为此，我们将通过实验数据来 对比三种测量结果。 表2 1 不同条件下t 法的最大测量误差 n 6 0 r m i n8 0 r m i n1 0 0 r r a i n1 2 0 r m i n 5 m 0 i o o o t l 3 3 o 1 6 7 0 2 0 0 l o mo 0 5 0 0 0 0 6 6 7 0 0 8 3 3 o 1 0 0 2 0 mo 0 2 5 o 0 3 3 4 0 ，0 4 1 7 0 0 5 以上三种方法均可以由p c 、光电编码器和d s p 组成的系统来实现。上位机 p c 通过r s 一2 3 2 等通讯电路将工作指令传给下位机d s p ，d s p 在接到p c 的指 令之后，根据程序的设定，通过c a p 电路来捕捉光电编码器脉冲并记录相应的 时间( t 法) ，或者通过q e p 电路来采集在指定周期内光电编码器经过四倍频后 的信号( m 法) ，或者交替应用c a p 或者q e p 功能获得相应的时间和光电编码 其脉冲数( m 厂r 法) ，然后将采集的数据通过r s - - 2 3 2 等通讯电路传回给p c 。 在上位机中应用v c 或m a t l a b 等工具完成数据的处理，同时绘制超声波电机 的速度特性曲线。整个测试系统的原理框图和实物图如图2 4 所示： 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y v 一 ( a ) 超声波电机瞬态特性测试原理图 ( ”超声波电机瞬态特性测试实物图 国2 4 超苎波电机瞬态蹙隹测试原粤图和实物囤 2 2 超声波电机瞬态特性测试系统的硬件设备 2 2 1 信号采集系统 信号采集系统主要由1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 及外围扩展电路组成，用 以实现上位机指令接收，数据采集、存储、传输等功能。1 r i 公司生产的 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p ，它的运算速度可以达到4 0 m i p s ，同时，具有3 2 k 字的片上f l a s h ，并集成了c a p ，q e p ，s c i 等多个功能模块，是t i 公司专门为 电机控制而研制的一款d s p 嘲。特别是它所集成的c a p ，q e p ，s c i 等模块，可 以很容易地满足以上提到三种测试方法的要求，只需简单的命令语句就可以完成 对功能模块的初始化和调用，软件的编写相对容易，而且大大简化外围电路，同 时也提高了系统的稳定性。另外，一般的d s p 实验板都集成了r s 2 3 2 通讯电路， 方便了d s p 和p c 机之间的通讯。更重要的是，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 高达 4 0 m i p s 的速度，正好适合超声波电机起动快数据量大的特性，可以实现数据的 实时采集的要求。 2 2 2r s 2 3 2 通讯电路 通常，在上位机与下位机之间需附加一个r s - - 2 3 2 串口电路才能实现两者 之间的通信。图2 5 是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 串行通信的接口电路，该电路 采用了符合r s - - 2 3 2 标准的驱动芯片m a x 2 3 2 。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 1 4 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 采用+ 3 3 v 供电，与r s - - 2 3 2 标准电平不一致，因此需要在m a x 2 3 2 与 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间添加t i 公司提供的典型电平匹配电路，才能实现两者之 间的电平转换。该电路在一般的d s p 实验板中都有集成。 坦 _ 与三 a l 1 3 1 h 也 c l +m 。；d i 厂、置 o _ ；。p 乓 o tm b一h it 卜 o - - - - - o 口 o _ o o - o -l o j 上盖 o _ 五l ! m 酉 o 一l | | 丁l，i 1 一 t v 讥_ j ：r m m 古 m m 一 一 * 一 一 图2 5 用于上位机与下位机通讯的串口电路 2 3d s p 和p c 的软件设计 2 3 1 下位机( d s p ) 的软件设计 2 3 1 1m 法的程序实现及流程图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 是t i 公司专门为电机控制而设计的d s p ，里面 集成了很多功能模块，如c a p 、q e p 等，各种功能实现起来很方便。 要用m 法来实现测试，首先要定义好c a p 功能，在捕捉到光电编码器第一 个脉冲信号的同时启用通用定时器，保证光电编码器信号和d s p 的计时脉冲同 步；其中通用定时器的定时周期定为0 3 m s ，也就是采样周期为o 3 m s 。这是因 为我们的电机的起动过程大约为5 6 m s ，也就是说，从速度为零到速度稳定在 6 0 r m i n 大约需要5 6 m s 的时间，这其中大约有3 4 个振荡周期，每个振荡周 期大约经历1 5 m s 的时间，采样周期定在0 3 m s 可以保证每个振荡周期都有一定 数量的采样点，另外，由于电机的起动过程很快，特别是速度响应很快，在较短 时间内速度就有比较大的变化，只有较小的采样周期才能保证采样信号的有效性 和真实性。当然，采样周期也不能定的太短，这是因为电机的稳定转速大约为 6 0 r i m n ，我们采用的是5 0 0 0 线的光电编码，经过4 倍频电路后每秒钟产生2 0 0 0 0 个脉冲，0 3 m s 内就只有6 个脉冲。这时候的测试误差和速度分辨率都是很不理 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s 时 想的，要想提高测试的精度和速度的分辨率，只能加大采样的周期，可是这样就 没有足够的采样点，无法准确地呈现电机的起动特性曲线。所以，采样周期和速 度分辨率是制约m 法的一对矛盾。当然，可以通过换用更高线数的光电编码器 来解决这个问题。 在计算好定时周期之后，在捕捉中断的子程序中关闭c a p 功能，同时启动 q e p 功能，就可以进入主程序循环等待了。在通用定时器计数到o 3 m s 的时候， d s p 会自动跳转到定时中断程序，在定时中断子程序中将光电编码器脉冲数读出 来。对于读出来的数据，我们有两种处理办法：一种是将它保存在d s p 实验板 的片外存储器上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p 拥有3 2 k 字的片外存储器，而光 电编码器的脉冲数不超过2 5 6 ，也就是只要8 位，所以片外存储器可以存“k 个 数据，可以满足1 9 2 秒的测试要求，足够完成电机起动特性的测试；第二种方 法是先将前面一段时间比如1 秒钟的测试结果存在d s p 上，因为这时候电机已 经完成了起动，进入速度稳定的状态，我们可以适当拉长测试周期到l m s ，也能 够保证足够的测试精度，这样我们就可以通过波特率1 9 2 0 0 的串行通讯，将测试 速度实时地发给上位机，并在测试结束后将前1 秒的数据传给上位机。这样就可 以满足超过1 9 2 秒甚至无限长时间的测试要求。m 法的主、子程序流程图2 6 如所示： 面磁法下位机软袢主霾厚流程图 1 6 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e n n g z h e j i a n gu n i v e r s i t y 图2 6m 法瞬态特性测试d s p 程序流程图 2 3 1 2t 法的程序实现及流程图 t 法需要用的功能模块和m 法差不多。首先启动d s p 的c a p 功能模块，在 捕捉到光电编码器的第一个信号时开始计时，保证计时脉冲和光电编码器脉冲的 一致，其中d s p 的计时脉冲频率定位5 m 赫兹。电机稳态转速大约位6 0 r m i n ， 在采用5 0 0 0 线的光电编码器的情况下，每秒将会产生5 0 0 0 个脉冲( 在启用c a p 功能的情况下d s p 无法实现四倍频功能) ，每个脉冲的时问为o 2 m s ，在计时脉 冲频率为5 m 赫兹的情况下，每次采样的结果大约为1 0 0 0 左右，也就是说t 法 的测试误差约为o 1 ，这个精度应该足够了。 在定义好这些功能模块之后，就可以进入主程序循环等待了。当c a p 口捕 捉到光电编码器脉冲信号的上升沿的时候就会跳到捕捉中断子程序。在中断程序 中，主要是将计时脉冲的个数读出来，然后存储或者发送。同m 法一样有两种 方法：第一种时将所有的数据暂时存在d s p 的片外存储器上。因为计肘脉冲的 个数约为1 0 0 0 ( 前面几个会比较大，因为速度较慢) ，必须用1 6 位来表示，所 以片外存储器上总共能保存3 2 0 0 0 多个数据，每个脉冲大约o 2 m s ，也就是6 4 秒时间的测试量，同样足够完成起动特性的测试。第二种方法是先将前面大约 1 7 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n e 倦时 1 0 0 个数据( 或者更多) 保存起来，在电机进入稳态运行的时候，将采样周期拉 长，比如拉长到5 个脉冲( 或者更长) 采样一次，这样的采样频率在稳态的情况 下也是可以满足测试的要求的。这样就可以保证数据可以实时地传给以1 9 2 0 0 的波特率传给上位机，测试结束后再将之前保存的数据发给上位机。t 法的程序 流程图如图2 7 所示： ( a ) t 法下位机软件主程序流程图 ( ”t 法下位机软件子程序流程图 图2 7t 法瞬态特性测试d s p 程序流程图 1 8 浙江大学电气工程学院 c o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y 2 3 1 3m t 法的程序实现及流程图 m t 法的实现稍微复杂了一点，因为它需要通用定时器和捕捉功能交替工 作，还需要在定时周期到了