（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp多模控制的超声波电机测控系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 董曼舅曼曼曼i i i i i i i i ! a b s t r a c t i no r d e rt om e e tf l e x i b i l i t y , r a p i d i t y , s i m p l i c i t yo fc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t e c h n o l o g ya n d i n d u s t r ya th o m ea n da b r o a do v e rt h ey e a r sh a sb e e nw o r k i n go nav a r i e t yo fn e wm i c r o m o t o r a m o n gt h e m ，t h eu l t r a s o n i c m o t o ru s i n gt h ei n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ，t h em a t e r i a lo f t h em i c r o - d e f o r m a t i o na n df r i c t i o nc o u p l i n gt h r o u g h t h er e s o n a n ta m p l i f i c a t i o ni n t om a c r o s c o p i cm o v e m e n tr o t o ro rs l i d e r a sad i r e c td r i v e m o t o r8 0f r o mt h e2 0 t hc e n t u r y , s i n c et h ef a v o ro fr e s e a r c h e r sw o r l d w i d e h a sb e c o m et h e f i e l do fe l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lc o n t r o lo fah o t s p o t t h ea u t h o r sa n a l y z et h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cm o t o ri sr u n n i n g ，t h ee s t a b l i s h m e n to f t r a v e l i n gw a v et y p eu l t r a s o n i cs t a t o rs u r f a c e ，t h ef o r m a t i o no fp a r t i c l ee l l i p t i ct r a j e c t o r yo f 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 rm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e nt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n t h i su l t r a s o n i cm o t o ri sd e s i g n e dw i t ht h ef o l l o w i n gb a s i cc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n s ： ( 1 ) t w o w a yd r i v ec o n t i n u o u ss i g n a lp h a s e0 - 18 0 。a d j u s t a b l e ；( 2 ) t w o - w a yd r i v es i g n a l n e g a t i v er e g u l a t o r , t oc h a n g et h es t e e r i n g ；( 3 ) 2 0 k h z 1 0 0k h zf r e q u e n c yo u t p u ti s a d j u s t a b l e ；( 4 ) u l t r a s o n i cm o t o ra sar e s u l to fd r i v i n gc a p a c i t i v el o a d st h eo b j e c t ，s o t o a c h i e v ei m p e d a n c em a t c h i n g ；( 5 ) w i t l lt h es w i t c h i n gf u n c t i o nt e s t sa n da c t u a lo p e r a t i o n ；( 6 ) w i t ht h ew o r ko fs t a t es e t t i n g s ，p a r a m e t e rs e t t i n g s ，c o n t r o ls e t t i n g s ，p a r a m e t e rd i s p l a y , w a v e f o r m t r a c k i n g ； i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t he x i s t i n gu l t r a s o n i cm o t o rv o l t a g e ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o 玛 p h a s em o d u l a t i o nc o n t r o lm e t h o d ，b a s e do nac o m b i n a t i o no fp i da n df u z z yc o n t r o lo f t h e c o n t r o ls t r a t e g y f u z z yc o n t r o ls y s t e ma st h e r ea r es o m es t e a d y - s t a t ee r r o r , t h e r ei sac o n t r o l b l i n d ；p i dc o n t r o lt oc o n t r o lt h eo b j e c t sc h a n g ea d a p t a t i o ni sn o ts t r o n g , g u b e nd e s i g n b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r su s e d ( d s p ) f o rm u l t i - m o d ec o n t r o ls t r a t e g y , t h es c o p eo f l a r g ed e v i a t i o n si nf u z z yc o n t r o l ，w i t h i nas m a l ld e v i a t i o ni sc o n v e r t e dt op idc o n t r o l ，b o t h t h ec o n v e r s i o nb yt h ed s pb a s e do nap r e d e f i n e dt h r e s h o l dt oa c h i e v eb i a s a n ds e l f - t u n i n g f u z z yc o n t r o lr u l e s ( a u t o m a t i co p t i m i z a t i o n ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mc a nb eag o o du l t r a s o n i ct e s t i n g u l t r a s o n i cm o t o rs p e e d - t o r q u e ，s p e e d c u r r e n ts p e e d e f f i c i e n c ya n ds p e e d f r e q u e n c y , s p e e d - p h a s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sm o t o rc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fu l t r a s o n i c a n du l t r a s o n i cp o w e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , a n dp r o m o t et h eu s eo fu l t r a s o n i cm o t o r h a sap o s i t i v em e a n i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i i 页 k e y w o r d s ： t r a v e l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o r , d s p , p i dc o n t r o l ， f u z z y c o n t r o l ，m u l t i - m o d ec o n t r 0 1 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指制嗽：奶乏 日彳硼l 识6 ，日期：1 刀f 识 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 提出系统的总体设计方案与硬件结构。对控制板、检测环节以及人机界面作了 具体设计。 2 提出系统多模控制方法及其实现。采用基于数字信号处理器( d s p ) 的多模控制 策略，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换为p id 控制，二者的转换由 d s p 根据事先设定的偏差阈值实现。并对模糊控制规则进行自校正( 自动寻优) 。 3 对超声波电机测控系统做了相关仿真，仿真结果显示与传统p i d 控制相比，本 文控制策略响应速度快，调节精度提高，稳态性能变好，而且没有超调与振荡，具有 较强的鲁棒性，验证了设计的合理性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 学位论文作者签名：王础 ) 日期：如f o 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 微电机发展概述 第一章绪论 随着社会的发展，电机越来越成为人类不可缺少的机电能量转换设备，它是工业、 农业、交通运输、国防工程以及日常生活中的常用的重要设备。 随着电机技术的不断发展，电机制造业向着三个方向发展。一是传统的中小容量 电机，这种电机基本上是低压3 8 0 v 供电，功率不太大，常用于小型水泵、轻工业等 场合；二是向大容量方向发展，如水气轮发电机，矿井提升、通风及大机械拖动及控 制场合，这种电机供电往往是6 6 0 v 、6 9 0 v ，甚至6 k v ，1 0 k v 供电；三是向着微型 化方向发展，即微特电机。 微特电机指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同，且体积和输出功率很小的 电机一般其外径不大于1 3 0m m ，功率从数百毫瓦到数百瓦广泛应用于军事、民用的 各种现代化装备及其控制系统中，如火炮控制、导弹制导、飞机自动驾驶、数控机床、 无梭织机控制、工业缝纫机控制、遥测遥控、音像设备、自动化仪表及计算机外围设 备等，都大量使用了各种微特电机。 目前，具有代表性并已实用化的是超声波电动机。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是近年发展起来的一种新型电机，它的诞 生为微特电机的研究和应用开辟了一块新的天地。u s m 采用了一种全新的运行机理， 打破了迄今为止由电磁作用获得转矩的电磁型电机的概念，不仅在思想上突破了传统 的电磁感应原理，而且又有其优异的性能特点。它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振 动，将弹性材料( 压电陶瓷，v z r ) 的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑 块的宏观运动。 由于独特的运行机理，u s m 具有传统电磁式电机不具备的优点： ( 1 ) 靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需要制动装置： ( 2 ) 转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需要齿轮减速机构，因而体积小，质量轻， 控制精度高，响应速度快； ( 3 ) 运行无噪声，不产生也不接受电磁干扰等。 在非连续运动领域及精密控制领域，u s m 要比普通的电磁式电机优越得多。在工业 控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域，u s m 有 广阔的应用前景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 u s m 作为一种新型微特电机，其本身的技术发展离不开电子控制和驱动。控制技术 的优劣，直接关系到能否充分发挥u s m 的卓越性能，更会影响到u s m 的应用和推广。因 此，u s m 的控制技术研究受到了越来越多的国内外学者的重视。 超声波电机的发展历史： 超声波电机的发展经历了四个阶段： 1 ) 萌芽阶段。1 9 6 1 年，b u l o v aw a t c hl t d 首次利用弹性力对弹性体进行激振，利用 被激振的弹性体的振动来带动钟表齿轮这种表走时准确，每月只有一分钟的误差，打 破了当时记录，引起了轰动，同时也揭开了超声波电机的序幕。 2 ) 原理机样机阶段。1 9 7 2 , - - 一1 9 7 3 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 公司研制出具有实用 前景的超声波电机，但由于压电材料工作在几十k h z 的驱动频率下，振幅太小，材料不 过关，不能得到大力矩，无法推广。1 9 7 3 年，i b m 公司的h v b a r t h 提出一种驻波型超声 波电机，其力矩较大，转速较高，但寿命较低。与此同时，前苏联的。l l v a v r i n e n k o 等人也研制了具有同样原理的几种超声波电机。1 9 7 8 年，前苏联的v a s i li e v 成功地构造 了一种能够驱动较大负载的超声波电机，其特点是采用了换能器原理，降低了共振频率， 扩大了共振振幅，但因种种原因都未能实用。 3 ) 实用型样机阶段。8 0 年代以后，超声波电机研究中心由前苏联转移到了日本。1 9 8 0 年指田年生在v a s i l i e v 的研究基础上，提出了一种楔形驻波型超声波电机。其工作频 率为2 7 8 k h z ，输入功率9 0 w ，但该电机存在两个缺点：一是振动片与转子接触处磨损严 重，二是转子转速校准较难控制，仅能单方向旋转，后为解决此问题，指田年生在1 9 8 2 年提出了行波型超声波电机。 4 ) 实用阶段。指田年生1 9 8 2 年研制的行波型超声波电机。定子由两组压电片和带齿 弹性体组成，转子以一定压力与定子接触。两组压电片在定子弹性体换中激励并叠加成 行波，定子弹性体表面质点作椭圆运动，移动体转子以一定压力与定子弹性体波峰接触， 通过摩擦力驱动作旋转运动。行波型超声波电机实现了由定子定期推动转子变换成多点 连续不断地推动转子，大大地降低了接触面的摩擦和摩损，这为超声波电机走向实用开 辟了道路，这种电机的商业应用是在1 9 8 7 年，同年，指田年生也创建了公司，这是超声 波电机从实验室走向商业应用的一个标志，同年，日本佳能公司研制出了第一台用于相 机自动变焦的环状超声波电机，在照相机业界为之一振。 在我国，虽然已在超声波电机的开发方面取得了一些进展，并有部分样机试验成功， 但其研究主要集中在在高等院校和部分研究所，如清华大学、东南大学、天津大学、上 海院上海冶金所、长春光机所和西安微电机研究所等，但基本上还处于实验室阶段，还 有待于机电领域的工作者们共同努力去改变这种状况。 由于超声波电机随着温度、电源电压、负载转矩和定转子之间静压力等外界条件 的变化，压电陶瓷的谐振频率发生漂移；且超声波电机参数时刻变化，系统呈现高度 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 非线性；它是复杂的多变量、强耦合、时变系统，电机为特殊的两相式结构，两相之 间存在机电参数及机电耦合效应的不平衡性。因此，迄今为止，还没有能够完全表达 超声波电机动态和稳态特性的精确数学模型，鉴于以上情况，本人想在超声波电机的 动态和稳态特性的数学模型方面进行理论研究。 考虑到超声波电机的主要工作特点是给其施加两相相位互差一定角度的交流电压， 利用压电陶瓷的逆压电效应，使压电陶瓷发生谐振并带动定子环一起振动，再通过定、 转子之间的摩擦力驱动转子旋转或滑块直线运动。依据文献，在电激励下，超声波电机 定子表面形成周向行波或驻波。在波峰处，质点切向运动速度v 可由下式表示： t ， c o b ( 1 + t a n 2g o t ) c o s o l ，= 一 柏 1 + ( b a ) t a n c o t c o s 8 + s i n o 2 ) 其中：g o 为超声波振动的角频率 臼为两路输入信号的相位差 锣和a 分别为两路输入信号的振幅 k 为周向行波的波数，由压电陶瓷的极化区域的分布情况确定 由上式可以看出，波峰处的速度控制可以通过振幅l l b a ，相位差秒，驱动频率，仔= o 2 r r ) 来实现。因此，如果能够准确并迅速地测出超声波的谐振频率( 谐振点不止一个) 、 所需两相交流电压的相位差、两相交流电压的峰值，并且测出其转速特性、转矩特性及 效率输出等参数随着频率、相位角幅值( 主要是频率和相位角) 的变化规律，不仅有助 于超声波电机性能的提高，而且便于超声波电机控制策略的确定及超声波电源的研制和 开发，甚至对于超声波电机的迅速推广使用具有一定的好处。 从另外一个角度讲，一套测控系统其实是一个性能优良、功能全面的超声波电源， 据相关文献介绍，1 台直径为5 5 的超声波电机其制造成本约1 2 2 1 7 元人民币，而其中 超声波电源的费用约6 2 元人民币，占了总成本的5 0 7 ，可见电源性能的好坏直接关系 着整个超声波电机的使用，若对超声波电机的基本特性不了解，直接采用与之相配的电 源，将是很大的浪费。 因此，本文的研究，对于提高超声波电机产品性能，控制模型和控制方式的确定 均具有积极的意义。 1 2 国内外研究现状 由于u s m 采用了一种全新的运行机理，打破了迄今为止由电磁作用获得转矩的电 磁型电机的概念，不仅在思想上突破了传统的电磁感应原理，而且以其优异的性能特点弥 补了传统电机的不足，引起了人们强烈的兴趣和厚望。虽然u s m 的发展历史很短，但己显 示出良好的应用前景。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 八十年代九十年代，国外对u s m 主要热衷于开发研究，应用基础研究和基础理论研 究较少，由于对u s m 基本理论研究得不够透彻，缺乏可靠的特性分析计算方法，没有完整 的设计理论，使u s m 的研究带有一定程度的盲目性，在设计制造、实际应用方面遇到很大 的困难，有很大的局限性，其运行寿命与效率也有待进一步提高。目前，u s m 的研究重点 已逐渐转移到确立基本的设计理论，完善数学模型，提高电机性能的深层次研究，以求 争取在u s m 的研究方向上有一个根本性的突破。对于测控系统的研究也日趋完善。 我国对u s m 的研究起步较晚，从九十年代初才由清华大学、浙江大学、天津大学、 南京航空航天大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位陆续开始对几种 不同类型的u s m 进行了电机结构和工作机理的研究。国内各单位对u s m 的研究只限于实 验室，至今还没有达到实用阶段。 国内对于超声波电机测控系统的研究也是刚刚提出。鲜见有文献报道，即使有超声 波电源电路方面的研究，也基本上基于分立元件构成，不仅有零点漂移和老化等缺点， 而且还存在焊点多、连线与接插件多、调试复杂及不易维护等问题。国内对超声波电机 主要侧重于控制策略和控制方法的研究上。 由前面的分析可知，超声波电机的控制变量有三种，即电压的幅值( a b ) 、频率( 缈) 和相位差( 口) 。目前国内外控制方法有以下几种方式： l 、改变电压幅值方案 该方案基本有两种方向，一是两相电压幅值相同，它主要单纯通过改变行波波动 的振幅来调速；另一种是两相电压幅值不同，它通过改变行波波动的振幅和定子表面 质点椭圆运动的运动轨迹来实现调速。这种方案的优点是速度线性化好，但缺点是调 速范围小，低速时电机转矩低，且有死区。 2 、改变相位差方案 该方案通过改变定子表面质点的椭圆运动的运动轨迹调速，其优点是换向运动平 滑，可实现柔顺控制。其缺点是不容易实现低速起动。 3 、改变驱动频率方案 它通过调节谐振点附近频率控制速度和转矩，优点是响应快，易于实现低速起动， 缺点是特性成非线性。 4 、改变通断时间，该方案有正反转脉冲调幅控制和断续驱动控制两种。前者是通 过调整正反转驱动时间占空比调速，好处是转矩恒定、调速范围宽、特性接近线性， 缺点是有调速效率及音频机械振动；后者低频断续驱动调速，优点也是转矩恒定、调 速范围宽、特性接近线性，缺点是有切换噪声和机械振动。 由于超声波电机靠磨擦驱动，定、转子之间滑动率不能完全确定，其谐振频率本身 又会随着温度而变化等，即其控制特性和电机参数都会改变这使得超声波电机的控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 变得复杂，因而其控制策略的研究吸引了不少研究者，提出了一系列控制策略，并取得了 相应成果。 目前各种控制策略的比较见表n 3 ： 控制策略 控制特点缺点 负载自适应频率跟踪驱动频率始终能跟随没有完全补偿电机的 控制定子谐振频率的变 非线性，利用电机本 化，转速在恒负载下身数学模型不足，负 能维持一定载变化波动大，控制 性能一般 p i 控制增益固定，控制算法随着u s m 特性的变 简单，控制器调整方化，对其指令位置无 便法发生相应的变化， 位置控制性能差。 软件变增益p i 控制器增益随时改变，算法需要嵌入复杂的计算 复杂，在线进行 单元 自适应控制模型相近，参数在线高阶次的数学模型辨 辨识，随时调整，随时识需要大量的计算时 补偿速度特性的偏差间。 正反转p 1 】i m 控制拥有比较良好的线 控制精度低，浪费能 性，能方便地在自锁源，可能有切换噪声 与运动状态间改变 神经元网络控制 在线学习，方便地进 在对电机模型假设 行变系数适应，可实时，计算量大 现无静态位置误差控 制 前馈控制前馈控制器参数自适为离线控制状态，只 应算法调整，在白适适应比较固定的对象 应过程结束后，使用 前馈控制器控制输入 上述几种控制策略各有缺点，本文在结合以上控制策略的基础上，采用p i 和模糊控 制相结合的方法。由于模糊控制系统存在一定的稳态误差，存在一个控制盲区：p i d 控 制对控制对象的变化适应性不强。本文采用基于数字信号处理器( d s p ) 的复合控制策略， 在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换为p i d 控制，二者的转换r h d s p 根据 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 事先设定的偏差阈值实现。并对模糊控制规则进行自校正( 自动寻优) 。 1 3 本文的主要工作 首先分析超声波电机的运行机理，确立行波型超声波电机定子表面质点椭圆运动 轨迹的形成，对行波式超声波电机建立数学模型。然后对测控系统进行设计。 由超声波电机的运行原理和输出转矩可知，对于超声波电机的两相通以互差一定 相移的交流电，且当该相位差为姜时输出转矩达到最大值。对行波型两个激励源要求 相差竺，对驻波型超声波电机而言( 特别是纵扭复合型) ，由于纵扭振子在夹心定子 中的位置不同，纵扭振动传播速度不同，很难通过计算得到纵扭振子驱动信号相位， 以保证定子表面质点纵扭振动所需的相位差，只能通过测试方法得到，同时考虑到测 试方便，1 超声波电源的两路输出驱动信号应能够在o 1 8 0 0 范围内连续可调。 由于超声波电机是工作在谐振状态的，不同的超声波电机其谐振频率不同，即使 是同一超声波电机，一般不止一个谐振点，随着温度的变化其谐振频率本身也会跟着 变化，因此要求驱动信号的频率可调。一般超声波电机的谐振频率在2 0 k h z - - 一1 0 0k h z 之间，故测控系统频率输出要求2 0 k h z - - 一1 0 0k h z ，且两相连续可调。 另外，从定转子接触面的角度分析，两路驱动电压必须可调节。 综上所述，本超声波测控系统具备以下基本功能： ( 1 ) 、两路驱动信号相位o 一1 8 0 0 连续可调； ( 2 ) 、两路驱动信号可反向调节，以改变转向； ( 3 ) 、频率输出2 0 k f l z - - - - 1 0 0k f t z 内可调； ( 4 ) 、因驱动对象超声波电机为容性负载，故要实现阻抗匹配。 ( 5 ) 、具有测试和实际运行切换功能。； ( 6 ) 、具有工作状态设定，参数设定、控制方式设定、参数显示，波形跟踪 功能； 本文在结合已有超声波电机调压、调频、调相控制方式的基础上，采用p i d 和模糊控 制相结合的控制策略。由于模糊控制系统存在一定的稳态误差，存在一个控制盲区：p i d 控制对控制对象的变化适应性不强，故本设计采用基于数字信号处理器( d s p ) 的多模控 制策略，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换为p id 控制，二者的转换由 d s p 根据事先设定的偏差阈值实现。并对模糊控制规则进行自校正( 自动寻优) 。 本文具体安排如下： 第1 章介绍超声波电机发展概况及国内外的研究现状，确定了本文研究目标。 第2 章分析超声波电机的运行机理，确立行波型超声波电机定子表面质点椭圆运 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼! 曼舅罾曼曼曼曼曼皇i 一一一 一i 一；一一一一一_ i _ ；i i ! 曼曼鼍曼曼鼍曼 动轨迹的形成，对行波式超声波电机建立数学模型。总结了各种控制策略，提出本文 采取的控制策略：基于d s p 的多模控制方法。 第3 章提出系统的总体设计方案与硬件结构。对控制板、检测环节以及人机界面 作了具体设计。 第4 章提出系统多模控制方法及其实现。采用基于数字信号处理器( d s p ) 的多模控 制策略，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换为p id 控制，二者的转换 由d s p 根据事先设定的偏差阈值实现。并对模糊控制规则进行自校正( 自动寻优) 。 第5 章对超声波电机测控系统做了相关仿真，仿真结果显示与传统p i d 控制相比， 本文控制策略响应速度快，调节精度提高，稳态性能变好，而且没有超调与振荡，具 有较强的鲁棒性，验证了设计的合理性。 最后总结了本文的研究工作，对未来的工作进行了展望。 塑里塞塑奎茎堡圭墼至兰耋堡篁塞矍! 至 第2 章行波超声波电机驱动控制原理 21 环形行波超声波电机运行机理【1 】f 2 1 2 1 1 环形行波超声波电机结构特点 环形行波超声波电机的结构和原理相对比较简单易懂，是目前应用最广泛的超声 波电机之一。本文主要研究直径为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子及接触面粘有摩擦材料的转子。其中，定子上开有凿槽，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：定于和转 子均为薄圜环，使得整个电机结构呈扁圆环形，大大缩小了电机尺寸。 圈2 - 1 直径为6 0 哪的环形盱渡超声踱电机 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，图中l 为行波波长。图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， 构成一个波长的弹性波。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( 4 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应) ，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 的周长为行波波长瑚n 倍( 图中n - - 9 ) ，a 区和b 区各分区所占的宽度为l ，2 ，孤极区 宽度) b 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 - , 4 墨o 4 ( n ) 正蕊 嘲2 - 2 环形压电掰瓷的极亿分铡 2 1 2 行波超声波电机运动分析 、j 足：， 4 c b ) 反面 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 31 ，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，如图2 3 所示。 翻2 3 定。f 躺振动 x 由于压电体在一个驱动信号作用下，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 两相交变电压同时激励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： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 w a x ，) = 六c o s k x c o s c o t ( 2 - 1 ) ( x ，f ) = 磊c o s k ( x - a ) c o s ( c o t + q 6 ) ( 2 2 ) 式中，w 小为弹性体表面横向位移；毛a 、k 分别为a 相和b 相横向振动的振 幅；k = 竿弹性波振动的波数；天= 兰为弹性波波长；1 1 为周向振动模态阶数；l = 2 n r 为定子环圆周长；r 为定子长平均半径；k - - - - - 1 1 r ；a 为a 相振子与b 相振子间的空间 间隔；垂为a 相、b 相驱动电压间的相位差。 如图2 - 2 ( a ) 所示，a = a 4 ，即a 相振子与b 相振子间的空间间隔相差, - t 1 2 ，则有： ( x ，f ) = 磊s i n 詹c o s ( c o t + 矽) ( 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 ，) = 心+ ( x ，f ) = 已c o s k x c o s c o t + 磊s i nk x c o s ( c o t + 矽) ( 2 - 4 ) 当压电陶瓷对称极化时，有黾= 莓b = 毛当a 相、b 相激励电压的相位差在时间上 差9 0 0 ，则牵= r r 7 ，有 w ( x ，f ) = 善c o s ( a - 6 0 t ) ( 2 5 ) 当毒a2 专8 = ，巾= - r r 2 时， w ( x ，于) = 善c o s ( 奴+ 6 0 t ) ( 2 6 ) 由上两式可知，只要a 、b 两相驱动电压相位差为1 r r 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，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 甜( x ，) ：一办掣：砌孝s i n ( k x t o t ) ( 2 7 ) c x 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： 兰唑+ 亟娑：1( 2 - 8 ) 一十一= l i 一 j 2( 砌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 h ( 彬) ：掣鲨：一砌细c o s ( k x c o t ) ( 2 - 9 ) d f 在椭圆运动最高点时v 工获得最大值 k 一= 一砌弘 ( 2 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 n = mi im lm l1 皇曼曼蔓曼曼曼曼曼 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。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 v ，一= 一砌细 ( 2 一i i ) 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n 2 2 1 驱动控制原理 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梁的振动来解析。 单相激励下，压电陶瓷片的每个分区所对应的复合梁可作为简支梁来处理，因而求解 简支梁的强迫振动响应，可以得到单相驱动时的定子振幅毛为 f ：丝丝量( 2 - 1 2 ) 。p a l 2 4 ( a c o ) 2 p 2 + 万2 p 4 ( p a c o ) 2 式中，p 为复合梁的密度，a 为复合梁截面积，1 为半波长，c 为与复合梁材料结 构相关的常数，l 【p 为对应第2 n 阶谐振频率的频率系数，v m 为激励电压，厶为激励频 率与谐振频率之差，p 为第2 n 阶谐振频率，6 表示结构耗散的等效力矩衰减系数。由 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v 二和激励频率偏离定子 环第2 n 阶谐振频率的偏离量确定。 由式( 2 - 5 ) 可求得在一般情况下x 方向位移u ( x ，t ) ，速度气( x ，t ) 分别为： ( z ，f ) ：一h o w 。( x , t ) ：一向七善【c o s k x c o s ( c o t 一) 一s i n k x c o s 研】( 2 1 3 ) cx v x ( x ，f ) ：旦畦三盟= 一h k 善【s i n 奴s i n 国f c o s 缸s i n ( c o t 一) 】 ( 2 1 4 ) 在行波振动的波峰点，由警= o 可求得波峰点处， c o s 缸：竺丝一 c o s 2c o l + c o s 2 ( c o t 一矽) s i n 奴：型丝兰坚 , c o s 2c o t + c o s 2 ( c o t 一) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼皇曼蔓! 曼皇曼曼曼! 曼曼! 量i i | - 曼! 曼舅曼量曼皇曼曼曼曼曼孽 这样波峰点的处的速度为： 驴一办栅 意畿一一c o s c o t s i n ( c o t - 矽) ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 7 ) 可见，当电机结构确定时通过调节a 相和b 相驻波的幅值专、相位差审及 振动频率，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1 , 0 、 电压幅值v 二和它们之间相互的相位差中，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 m 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决定的。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 t 一，可迅速改变定子的共振状态，达到调速的目的【4 】。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，采用调频调速在大范围频率调节时具有非线性， 且在共振点有尖峰，因此调频调速有频段限制。 丽堕泐羔磊 卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 名 暑 v 凳 馨 2 - 2 1 2 2 调压调速 瓣2 - 4 越声波电机转速一频率特性曲线 频率( k h l ) 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 为电机转速一驱动电压关系曲线，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。 电鱼( 崞一一值) 躅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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 4 5 0 v 时，转速进入饱和区。 2 2 2 3 调相调速 熊i 侵勃废 隧2 - 6 越声波电机转速一驱动电厥鞠纯爱特饯曲线 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( 压 峰一峰值) 3 5 2 v 、驱动频率3 9 k i - 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i 牵l 在窗l i 区域自建一个子窗口用于曲线的显示，层次清晰： 曲线的大小、位置、窗格、标题、坐标轴、背景颜色、曲线颜色都可自己设置， 灵活方便 曲线可截取数据的任意一段显示，有利于对数据进行分析 曲线有打印功能： 曲线下方有报袁，对数据自动进行分析。 图38 为模拟启动速度曲线的打印预览图， 图3 8 打印界面预览图 ( 3 ) 测试数据的管理与查询 为了使测试数据利于管理与查询，本软件在启动面面中放置了一个对测试数据进行 管理与查询设置的对话框，如图39 所示。 圈黼豳黯阐圈翟 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 一 j 毫芦g 辟匦f 一 ；p b 垂1 薄一 自机型号叵而矿一 电帆瘩号阿一 戎教r 一 电匿i z 瘦奄功f r a 磕 墨舾m 稠递日期阿薪可丽i 曝律桎写蜀一 图3 9 测试数据管理与查询设置的对话框 对话框中记录了客户名称、客户档案、电机型号、电机编号、测试次数、额定电 压、额定功率、测试人员、测试同期、保存路径等数据。对话框中的这些数据保存在 软件的配置文件中，除了可以在对话框中修改管理与查询的昆置信息外，还可以直接 在配置文件中修改。在对话框中修改后按“确认”这些管理与查询设置的信息也 就保存到了配置文件中。 3 2 6 检测环节 检测环节包括以下几个方面；速度检测，电压和电流检测，速度检测采用光电编 码器，本文采用长春第一光学仪器厂生产的l f a - 5 0 0 a - 1 8 0 0 0 小型高脉冲光电编码器。 它具有体积小，力矩小，可靠性高，寿命长等优点。电压检测和电流检测从主回路得 到，其般用作过流检测和过压检测，也用作电流和电压值的测量。特别是，因为超 声波电机有两种，一种有s 端( s t a t u s ) ，尤其可删出振动状态的变化情况，从而 得到其最佳谐振点。另一种无s 端，圆谐振点的回路电压和回路电流的特s q 性，我们 可通过电压检测和电流检测值得到其谐振点。 ( 1 ) 频率检测及其原理 变频电源能否正常工作产生可靠的逆变触发脉冲是逆变桥正常工作的前提而准 确检测出负载的谐振频率是一个很重要问题。利用外部脉冲检测频率的方法很多，一 般常用的方法有三种：t 法测频、m 法测频和 m r 法测额吲。 m 法溅频 m 法测频是通过在相等的时间间隔内读取脉冲的个数而求出频率的测量值。在相 等的时间内求出脉冲的个数不同，则得到的频率值也就不同。设在时间间隔t 内m 个 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 膨 脉冲，则频率为f = i ( 舷) _ f 可见，在周期t 不变的情况下，频率与脉冲数值成正比。因为这种方法的特点是由计 数值m 的大小来放映频率值的高低，所以称做m 法测频。 t 法测频 t 法测频是测出两个脉冲之间的时间间隔来计算出频率。设两个脉冲之间的时间 ， 间隔为t ，则频率值为f = ：( 勉) m 厂r 法测频 前面介绍的m 法测频在低频段计数值将减小，相对分辨率将减小，测频误差将增 大；t 法测频正好相反，在高频段的测量值将减小，相对分辨率也减小，测频误差也 变大。综合上述两种测频方法的优缺点，还有一种称做m 厂r 法的测频方法，即在低频 段可靠的测频，又在高频段具有较高的分辨率。 m 厂r 法测频时，应先给出频率的精度要求，根据精度要求，再求出相应的临界频率值 f s ，当系统的频率值大于f s 时，采用m 法，当系统的频率值小于f s 时，采用t 法。 通过对输出电压信号取样、滤波，通过过零检测电路，把正弦波变成同频率的方 波，并在过零时刻，启动计数器，并在下一个过零时刻停止计数，此时，计数器的计 数值便为系统的工作周期；此种方法