（电机与电器专业论文）超声波电机转矩控制的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( a b b r u s m 、j sat e l a t i v e l yn e wt y p em o t o r c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a i e l e c t r o m a g n e t i cm o t o r s u s mh a sm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n df e a t u r a ss u c ha sh i g ht o r q u e a ti o ws p e e d ，n o n 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 n o n i n f l u e n c e de 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 f a s t r e s p o n s ea n ds oo n u s mh a ss e e nc o m m e r c i a la p p l i c a t i o na n da t t r a c t i v ep r o s p e c t si nt h ef i e l d n e e d i n gc o m p a c t 。e f f i c i e n t ，i n t e r m i t t e n tm o t i o na n df i n ec o n t r o l s i nr a c e n ty e a r s u s mh a sa t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nm i c r o - m a c h i n ef i e l d t h et h e s i so b j e c ti sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h er i n g 由p eu l t r a s o n i cm o t o r ( a b b r r 1 3 v u m ) a n d i t sc o n t r o lp r i n c i p l e ，f o rab e t t e rc o n t r o ie f f e c t an e wk i n d o fu s mc o n t r o ia n dd r i v e rp l a t f o r mi s d e s i g n e db a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp t o c e s s o r ( a b b r d s p ) a n df i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f a b b r f p g a ) 8 yt h ee x p e r i m e n t so nt h er t w u mo f6 0m md i a m e t a rr e s e a r c ho nt o r q u e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt o r q u ec o n t r o i i si m p l e m e n t a d t h ec o n t e n t sa l es u m m a r i z e da sf o i l o w s ： an e wk i n do fd r i v ea n dc o n t r o is y s t e mo fu s mw i t hh i g h p e r f o r m a n c ei sd e s i g n e d w h i c ha d o p t d s p c h i po ft lc o r p o r a t i o na n df p g ac h i po fx i l i n xc o r p o r a t i o n t h ep l a t f o r m 。w i t hs t r o n gf u n c t i o n a n dh i g ho p e r a t i o ns p e e dc a nd r i v ea n dc o n t r o im o s tk i n d so fu s ma n dd oc o m p l e xc o n t r o i a r i t h m e t i c sa n dm e t h o d s ， 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 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 e m o d u l a t i o na r ea d o p t e dt oe x p e r i m e n to nr t w u ma n da n a l y z et o r q u ec h a r a c t e n s t i c si nt h e r e s e a r c ho fd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt o r c l u ec h a r a c t e r i s t i c so fr t 、u m b a n g b a n gc o n t r o l m e t h o di su s e dt oc o n t r o it o r q u e k e yw o r d s ：u s m ，d s p , f p g a ，t o r q u ec o n t r o l ，b a n g b a n gc o n t r o l 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工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论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垫丝日期：兰竺丕苎丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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，可以采用影印、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，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垫丝导师签研究生签名：丝鉴导师签名：剜砬丝。日期： 鼋七 东南大学硕士学位论文 1 1 超声波电机特点和运用 1 1 1 超声波电机简介 第一章绪论 超声波电机是一种全新概念的电机，和传统的电磁电机相比，具有不同的产生规理和独有的特 点超声波电机不是通过电磁感应来传递能量，没有线圈和绕组，而是利用压电陶瓷的逆压电效应 以及电机定子和转子的摩擦耦合来进行电能与机械能问的能量转换。超声波电机具有低速大转矩、 响应速度快、无输入自锁、噪音小和无磁干扰等一系列优点，在精密控制系统、汽车电机、机器人、 航空航天等领域有广闹的应用前景 超声波电机的发展历史较短，涉及到多个学科，有关超声波电机运行机理的更深层次研究还处 在探索和不断完善的阶段。超声波电机涉及压电学、材料学、固体力学、电子技术及自动控制等多 个学科，是多学科交叉结合的产物。压电效应在1 8 8 0 年被j 居里和p 居里发现，研究机电相互作用 过程及能量的耦合和转换。是超声波电机完成机电能量转换的理论基础和根据。在1 9 4 8 年英国a w i l l i a m s 和wb r o w n 申请了“压电马达”( p i e z o e l e c t r i cm o t o r ) 的美国专利1 1 j ，为超声波电机的发 展奠定了基础；在1 9 7 3 年美国i b m 公司的h v b r a t h 发明了超声波电机吲，是第一个具有实用意 义的超声波电机；在1 9 8 2 年日本t s a s h i d a 发明并试制了行波型( t r a v e l i n g w a v e t y p e ) 超声波 电机l ”，达到了商业应用的水平，为应用于民用和军用提供了条件。 1 1 2 超声波电机的分类嗍嘲 超声波电机自身的结构灵活、形式多样，可以构造出多种电机形式。近年来，随着各方面技术 的发展，新结构新原理出现，对超声波电机发展也起到了推动作用。虽然超声波电机的结构形式多 样，但超声波电机基本的工作原理相似：都是利用压电陶瓷的逆压电效应，定子的振动质点通过媒 介( 摩擦材料或者流体) 推动转子的运动。根据这些不周，可以用不同的分类方法将超声波电机分 成不同的种类，这对进一步了解和认识超声波电机的特点很有意义。 按超声波电机工作模态和工作原理分类，超声波电机可以分成以下三类： ( 1 ) 驻波型超声电机 一般只有一个压电振子，单相驱动，电机运行也只依赖于这一个振子激励的一个主振动模 态。 ( 2 ) 行波型超声电机 一般有两个压电振子，两相电压驱动，行波型电机的两个压电振子分别激励出两个振型相 同、时间相位差为9 0 0 的共振模态，这两个模态合成便为一个行波。 ( 3 ) 混合型超声电机 第一章绪论 与前两种电机不同，混合模态电机的工作模态不再是由同一个模态组成的，由两个或者两 个以上的不同的共振模态耦合 按机械振动获取方式分类，超声电机则可以分成以下两类： ( 1 ) 谐振驱动式超声电机 ( 2 ) 非谐振驱动式超声电机 按定子表面椭圆运动获取的方式。超声电机可以分成以下两类： ( 1 ) 单振动模式 ( 2 ) 双振动模式 按定、转子接触方式不同，超生电机可以分成以下两类： ( 1 ) 摩擦驱动式超声电机 ( 2 ) 非摩擦驱动式超声电视 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 电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。 1 1 3 超声波电机的优点【6 】川 ( 1 ) 低速大转矩 超声波电机是一种通过摩擦力来驱动的电机，其振动速度和摩擦传动机制决定了它是种 低速电机。超声波电机的转速较低，同时输出力矩较大，对于较常用的环形行波型超声波电机， 不同直径的电机转速在1 0 r p m 到2 0 0 r p m 范围内，相应输出力矩在45 n m 到o 1 n m 范围内， 电机的输出功率也较大，实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的十倍以上。 ( 2 ) 响应速度快、控制精度高 超声波电机转矩大、空载转速低、转子惯量小，与定、转子之间的摩擦力比，转子的惯性 力相对较小，响应时问通常小于l o m s ，电机在空载状态下的启动时间在5 m s 以内，关断时间 小于1 m s 。电磁电机转速高、转矩小、转子惯量大响应时间较大，电机的起停角度很大。 ( 3 ) 断电自锁 超声波电机是依靠摩擦力驱动的，断电时由于定、转子问静摩擦力的作用，有较大的力存 在于电机的定子和转子的接触界面上，使电机具有较大的静态保持力矩，实现自锁功能。电磁 电机在断电后，磁场消失，定转子之间不存在作用力，处于惯性状态。 ( 4 ) 无电磁干扰 超声波电机依靠定转子摩擦驱动，没有磁极和绕组，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，可以在强磁干扰的环境下工作 ( 5 ) 机构精简、重量轻 超声波电机结构简单，一般都是由压电陶瓷、弹性振动体，转子、施加压力装置等部件组 成，电机的结构十分精简，电机重量轻。 ( 6 ) 运行无噪声 超声波电机的工作频率为2 0 k h z 以上，高于人耳所能听见的频率。超声波电机自身特点 决定了不需要减速机构，这也减少了噪声的产生。 1 。1 4 超声波电机的应用嘲嘲 超声波电机具有结构简单、体积小，低速大转矩、响应速度快、定位精度高、无电磁干扰等独 2 东南大学硕士学位论文 有的优点，被认为在精密控制系统、汽车电机、机器人、航空航天等领域有广阔的应用前景并在一 些领域已有成功应用。以下是超声波电机应用的一些举例： 日本的佳能公司将超声波电机应用于照相机的镜头调焦，应用于单反相机镜头的驱动电机。 美国国家航空宇航局( n a s a ) 使用环形行波型超声波用于太空行走微型机器人的微型仪器机械 臂和微型桅杆式机械臂。 德国的西门子医疗器械公司( 东京) 使用超声波电机强磁场于核磁共振装置( m r i c t ) 奔驰公司应用超声波于汽车车窗的驱动装置，雨刮器和车灯转向等驱动装置中 另外，一种由自激振荡电路驱动的微型超声波电机被应用在手表上；管状超声电机于各种精确 的微机械应用，用于电子显微镜或扫描隧道显微镜等高精设备中 超声波电机虽然无法完全替代传统电磁电机，但是超声波电机其独有的特点有广阔的应用前景， 特别是在强电磁干扰的环境下、在精密祠服领域等特殊场合能发挥超声波电机的特点。可以作为徽 特电机对电磁电机进行有力的补充。 1 2 超声波电机驱动控制技术的发展 超声波电机从发明至今已显示出强大的生命力和巨大的市场开发潜力，超声波其独有的特点在 某些领域有其独有的优势。目前在国内有啥尔滨工业大学、浙江大学、东南大学、南京航空航天 大学、电子部2 1 所等高校和研究所开展了超声波电机的研究，在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、超声波电机驱动控制技术的研究等方面取 得了较大的成绩。 本课题主要对超声波电机的驱动控制技术方面进行研究和探讨。超声波电机驱动控制技术的研 究包含范围很广，主要集中在驱动控制电路系统的设计和研究和控制方法策略和算法的研究两方面。 在驱动控制系统的设计和研究方厦，驱动电路主要采用半桥式逆变电路、全桥式逆变电路和推 挽式逆变电路三种电路，三种电路因各自特点性能适应范围有所区别9 j ，如表1 对各驱动电路进行比 较。控制电路有采用d s p 芯片或者单片机作为核心芯片，在控制效果和控制场合有所不同，成本也 不一样。d s p 运算速度快，功能强大，可采用复杂的控制簧略和算法，控制效果好，适用于对精密 控制系统、航天航空等场合：单片机价格低廉，外围电路简单，控制简单易行，性价比较高，适用 于工业控制和小型化等对成本苛刻的场合 表1 驱动电路类型比较 l驱动电路类型特点 半桥式逆变电路 效率高，成本低 全桥式逆变电路电路复杂，输出功率大 推挽式逆变电路驱动电路简单，遁态损耗小 控制方法策略和算法针对超声波电机不同的控制对象，在速度控制、位置控制、转矩控制方面 有所不同。国内外许多学者作了大量研究工作，也取得了很大的成果。就行波型超声波电机而言， 调频、调压以及调相在控制超声波电机的转速、转矩和位置都有不错的效果。模糊p i 控制、自校正 模糊p i d 控制和神经模糊控制等控制理论和算法在超声波电机控制中的运用都有很好的效果。 以下是国内外研究学者在驱动控制技术方面的一些成果： 清华大学的程昱采用调节驱动电压幅值的方法，结合自校正模糊p i 控制实现了电机对方波曲线 3 第一章绪论 的速度轨迹控制【1 。l ； 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1 1 ”； 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1 1 z j 。 东南大学的金龙和褚国伟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1 1 。 日本的y u j ii 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 增益控 制器研究了电机对双向正弦波曲线的速度轨迹控制。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 4 j 土耳其的gu n g o rb a 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n q 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 和模糊死区补偿控制研究了电机对双向正弦波曲线的位置轨迹控制【1 6 l 。 1 3 论文的研究内容 本文主要设计和应用了新型高性能超声波电机驱动控制系统，并针对行波型超声波电机转矩控制 特性方面进行研究。 本论文的主要内容安排如下： 第一章绪论 简单介绍了超声波电机的原理、分类、特点和应用场合，并对超声波电机研究的内容和意义进 行了分析，对国内外超声波电机在控制领域的研究进行了介绍，为本课题提出了研究方向及预期实 现目标。 第二章行波型超声波电机驱动控制原理和策略 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，通过实验分析比较了在相 同相位差不同频率和相同频率不同相位下转矩的变化，为对超声波电机转矩进行控制提供了控制策 略。 第三章超声波电机驱动控制系统的设计和开发 研究并设计基于d s p 和f p g a 的超声波电机控制系统实验平台，包括控制电路和驱动电路，并 在此平台上进行软件设计。对d s p 采用c 语言和m a t l a b 两种方法进行开发，对两种开发方法的 流程进行了比较，另外还介绍了f p g a 内部模块的功能和调用命令 第四章行波超声波电机转矩控制特性的研究 介绍了转矩控制研究的实验平台，对转矩传感器的功能和通讯方式进行介绍，分析行波超声波 电机转矩控制的研究内容和目的，采用调节频率和调节相位差的控制策略对超声波电机的转矩进行 测试，并对实验结果进行了分析。 第五章总结和展望 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电机转矩控制方面的问 题，提出一些建议和进一步研究的课题。 4 东南大学硕士学位论文 第二章行波型超声波电机机理及其控制原理 2 1 行波型超声波电机的结构r 叮【2 l 嘲 行波型超声波电机就结构来看，可以分为环形行波型超声波电机r t w u s m ( r i n g t y p e t r a v e l l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o r sr t w u s m ) 和圆盘式超声波电机d t u s m ( d i s k t y p e u l t r a s o n i cm o t o r s ) ，其中环形行波型超声波电机是目前国内外应用和研究最多的电机，研究成果和 技术也是最成熟的。 环形行波超声波电机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构成，在定 子上开有齿槽，转子同定子接触面覆有一层摩擦材料，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，如图2 1 示为环形行波型超声波电机的基本结构分解图和电机实物 图。定子和转子均为一薄圆环，使得整个电机结构呈扁圆环形，很大程度上缩小了电机尺寸 ( a ) 电机结构图 图2 1 环形行波型超声波电机 ( b ) 电机实物图 环形行波超声波电机是通过放大由逆压电效应引起的压电陶瓷微观振动来产生宏观机械旋转运 动的。把两相高频的驱动电压信号施加在由压电陶瓷和金属弹性体构成的电机定子上，由于压电陶 瓷的逆压电效应，电机定子弹性体产生变形，当激励电压频率与定子弹性体的共振频率接近时，便 会引起定子产生一定规律的机械振动；由于定子振动，定子表面质点会产生一定轨迹的椭圆运动 一方面质点产生的法向位移对转子产生一定压力，另一方面质点和转子问的切向位移使它们产生相 对滑动，这样通过定子和转子间的摩擦耦合，转子在摩擦力矩的推动下转动，实现电能转换成机械 能，完成对电机的驱动。 6 0 m m 直径的环形行波超声波电机采用( 9 ，o ) 振动模态，即在定子上有9 个波，压电陶瓷环 的周长为行波波长丑的9 倍。如图2 2 所示为6 0 r a m 直径的环形行波超声波电机压电陶瓷的极化 图。图中阴影区域为未极化区域，也是未敷银区，“+ ”和“一”分别表示陶瓷的极化方向，极化的 “+ ”区域和“一”区域是被未极化区域隔开的。 在两相高频电压敷励下，由于压电陶瓷的逆压电效应，一段收缩，另一段伸张，构成一个波长 第二章行波型超声波电机机理及其控制原理 的弹性波。环形行波超声波电机鲍极位分区可组成三个电援：a 区、b 区和孤撮区。a 区和8 区是压 电陶瓷的逆压电效应产生的；孤极区是传感器区，是压电陶瓷的正压电效应产生的，实时反映定子 的振动幅值情况。a 区和b 区各分区所占的宽度为五2 ，孤极区宽度为且，4 。 ( a ) 正面 图2 2 环形压电陶瓷的极化分割 2 2 行波型超声波电机运行理论分析1 4 6 1 1 s 一 ( b ) 反面 定子是超声波电机结构的核心部分。在与转于接触的反面粘有压电材料，它们构成一个复合结 构，使定子能在某个特定模态下产生超声级别的共振变形。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 i ，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。 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予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 辐驱动激发的定子驻波分别为： w a ( x , t ) = 已c o s c c o s m t w s ( x ，f ) = 品c o s k ( x - 训c o s ( o ) t + 们 式中， 1 _ 、m 0 为弹性体表面横向位移； 已，靠分别为a 相和b 相横向振动的振幅； 露：三；为弹性波振动的波数； 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 东南大学硕士学位论文 五= = 为弹性波波长； 订 为周向振动模态阶数； l ：2 x r 为定子环圆周长： r 为定子长平均半径； k = 疗r ： a 为a 相振子与b 相振子间的空间间隔； 为a 相，b 相驱动电压间的相位差。 如图2 - - 2 ( a ) 所示，口= 2 1 4 。即a 相振子与b 相振子间的空间问隔相差x 2 ，则有： o ，t ) = 品s m j b c o s ( o j t + 力 ( 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 ，r ) = n o ，t ) + w n ( 五f ) = 六c o s k x c o s ( o r + 磊s i n 缸c o “耐+ ( 2 - - 4 ) 当压电陶瓷对称极化时，有六= 磊= f ，当a 楣、b 相激励电压的相位差在对同上差9 0 0 ，则 = # 2 ，有 w ( x ，f ) = 掌c o s ( h c o t ) ( 2 - - 5 ) 骂 = e = ，妒= 一筇| 2 贰 以薯f ) = 孝c o s ( 缸+ 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，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 ) ，定予表面该质点横向振动可表示为 “( 列) ：一向望华：增s 畎j h c o t ) ( 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： 堡尘+ 兰攀：l ( 2 - - 8 ) f( 蠡臀) 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 u ( 列) ：掣鲨：一崩蜘c o s ( j b 一耐) ( 2 9 ) a 在椭圆运动最高点时( 即波峰处) ，横向位移w 最大，而纵向位移“为零，利用里生嬖盟：0 ， 研 即鸣s i n k x e o s a ，t + 靠c o s a e o s ( o t + 矿) = 0 可得c o s h 一： 鱼! 竺丝 把c o s 2 纠+ 器c o s 2 ( 耐+ 妒) s i n k x = 7 第二章行渡型超声波电机机理及其控制原理 此时k 获得最大值 心一一砌c 赢等畿一 ：二! ! 丝鱼! 三! 垫丝三丝三塑 、j c o s 2 饿+ ；c o s l t + 们 ( 2 1 0 ) 当已= 磊= 厶，妒= # 1 2 时， 气。= 一是缈 2 - - 1 1 ) 上式中的负号表示定子表面的质点运动到椭圆最高点时。它的运动方向正好与行波前进方向相 反。若不计定转子间的滑动，假设转子接触面与定子振动波形相切，则此时转子速度为下式( 2 - - 1 2 ) 。 这里的负号同样也表示转子速度与定子振动行波前进的方向相反。 v f = 一m ( 2 - - 1 2 ) 质点的横向振动速度为： 匕( x ，f ) ：掣娑：s i r i 慨+ 叫) ( 2 - - 1 3 ) 质点的横向振动加速度为： q ) = 堡妥掣= - 眚o c ：c o s ( 讲+ 研) ( 2 叫) 2 3 行波型超声波电机的驱动控制原理【3 1 圈 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掌为 式中， p 为复合粱的密度， 爿为复合粱截面积， ，为半波长。 c 为与复合粱材料结构相关的常数， k 。为对应第2 n 阶谐振频率的频率系数， 圪为激励电压， 8 ( 2 - - 1 5 ) 东南大学硕士学位论文 国为激励频率与谐振频翠之差。 p 为第2 n 阶谐振频率， 艿表示结构耗散的等效力矩衰减系数。 由式( 2 1 5 ) 可德，环形行波超声波电机定子振动振幅主要受电压名和激励频率缈偏离定子环第 2 n 阶谐振频率的偏离垂确定。 由式( 2 - - 1 0 ) = 。j 求得在一般情况下z 方向位移u ( x ，d ，速度匕( x ，f ) 分别为： ”o ，f ) ：一 曼! ! ! 尘：一舭孝【c o s h c o s ( 饼一) 一s 证觑c o s 耐】 ( 2 1 6 ) 匕，) ：掣：一h k c o 甄s i n k x s i n a , t - c o s s i n ( d o t 一扔】 ( 2 1 7 ) 电机转速定子传递给转子的摩擦力为 辱。以基器p 冲= 和。r s 髓【v 】p o 渺 ( ：一，8 ) 其中符号函数s g n 【v ( 工) 1 为 1 1 匕( 力 v ， s g n z x v ( x ) j = 0匕)=v，(2-19) 卜1匕( o 9 v l hzz 隐性 o 5 v v = 0 9 v 开路zz隐性 v m o 5 v h l 一低电平h - - 高电平z 一高阻 为了有效的抑止噪声，消除接地回路的干扰，提高响应速度，以光为媒介传送信号，使用光耦， 对输入和输出电路进行隔离。选择h c p l - - 0 6 3 1 光藕，最快转换速度可达1 0 m 波特率，而c a n 总 线最快传输速度达1 m 波特率，在光耦的转换速度内，可以满足传输要求。 c a n 控制器是d s p 内含的增强型控制器区域网络模块，和c a n 2 o 标准兼容，是一种具有3 2 位内部结构的c a n 控制器，包含e a n 协议内核和消息控制器。c a n 协议内核接收到一个有效的消 息后，消息控制器中的接收控制单元决定是否把接收韵消息存储到邮箱r a m 中3 2 个消息对象中的 某一个中。接收控制单元需要检验状态、标识符和消息对象的屏蔽来决定适当的邮箱定位。接收的 消息被存储到经过接收过滤后的第一个邮箱中。如果接收控制单元不能找到任何一个存储接收消息 的邮箱，消息将被丢弃。 4 0 第四章行波型超声波电机的转矩特性的研究 4 3 传感器和控制器通讯方式的研究 4 3 1c a n 总线介绍 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 现场总线为串行通讯协议，能够支持很高安全等级的分布实时控 制，是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布 式控制系统实现各节点之闻实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。和之前的r s 一2 3 2 、 r s - - 4 8 5 相比具有较多的优越性，可广泛应用于离数控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自 动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换1 3 1 4 1 。 c a n 总线具有以下基本的特性： 报文的优先权 保证延迟时间 灵活的设置 多主机工作方式 非破坏性仲裁技术 数据可靠性高 4 3 2c a n 总线的i s o o s i 参考模型 i s o ( i n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 国际标准化组织在1 9 7 8 年网络通信方面 定义了一个开放协议标准，有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网 络产品，实现彼此兼容。 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 结构的参考模式中，网络系统结构划分为七层，从上到下 依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 这是整个o s l 参考模型的最低层，其任务就是提供网络的物理连接。因此物理层是建立在物理 介质上，而不是逻辑上的协议和会话，提供了的是机械和电气接口，主要包括电缆、物理端口和附 属设备。物理层除了规定了机械、电气等特征外，还包括传输速率、信道容量等因索。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要任务就是进行数 据封装和数据链接的建立，在不可靠的物理链路的基础上实现可靠的数据传输。封装的数据信息中， 地址段含有发送节点和接收节点的地址，控制段用来表示数据连接帧的类型，数据段包含实际要传 输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误 ( 3 ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 网络层是o s i 中的较高层次，向上面的传输层提供面向连接的网络服务和无连接的网络服务。 网络层主要解决网络与网络之间，即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功 能提供路由，即选择到达目标主机的最佳路径，并沿该路径传送数据包。另外，网络层还要能够消 4 1 东南大学硕士学位论文 除网络拥挤，具有流量控制和拥挤控制的能力，防止网络因过载而引起吞吐量的下降和时延增加。 ( 4 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 传输层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，用于提高网络层服务质量，提供可靠的端到 端的数据传输。传输层的任务对为高层从源端机到目的机提供可靠经济的数据传输服务，实现多路 复用和分流的功能。以上四层可以看作是传输服务提供者，以下三层是传输服务用户。传输层为服 务提供者和用户之间进行可靠的数据传输服务提供了保障。 ( 5 ) 会话层( s e s s i o nl a y e r ) 会话层利用传输层来提供会话服务，管理不同主机上各进程之间的对话。会话可能是一个用户 通过网络登录到一个主机，或一个正在建立的用于传输文件的会话会话层的功能主要有：会话连 接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。 ( 6 ) 表示层( p r e s e n 协t i o nl a y e r ) 以上五层用于将数据流按照顺序传输到目的站，而表示层是要保证传输后的数据其意义不变， 其功能主要有：数据语法转换、语法表示，表示连接管理、数据加密和数据压缩等。表示层为应用 层提供数据或者信息语法的表示变换，负责机器内部的数据表示与抽象数据之间的变换。 ( 7 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 应用层是o s l 参考模型的最高层，它解决的也是最高层次，即程序应用过程中的问题，它直接 面对用户的具体应用。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件、 万维网和远程登陆等。 l s o o s l 参考模型各层之间相对独立，其功能实现的具体细节对外是不可见的，相邻层之间交 互通过接口处规定的服务原语进行。在实际的应用中和参考模型有或多或少的差异，七层的结构不 是严格和必须的，c a n 总线的i s o o s i 参考模型的可以细分为以下的不同层次： 应用层 数据链路层 逻辑链路控制子层 涉及报文滤波，过载通知和恢复管理 介质访问控制子层 介质访问控制子层把接收的报文给逻辑链路控制子层，并接收来自逻辑链路控制子层的报文。 介质访问控制子层负责报文分帧、仲裁、错误检测和标定 物理层 定义信号如何实际的传输，涉及到位定时、编码、解码和同步等，也定义了电气特性 4 3 3c a n 总线设置 控制器局域9 6 孽c a n 为串行通信协议，能够有效的支持具有很高安全等级的分布实时控制，并具 有很高的安全性和高达1 m b p s 的通信速率。在噪声干扰或者其他苛刻环境中的使用是很具优势的。 通过使用保证数据完整性的协议和错误检验机制，不同优先级的消息可以在一个具有多控制方的串 行总线上进行传输。c a n 协议支持四种类型的帧： 数据帧：把数据从一个节点发送到另一个节点。 数据帧由以下7 个不同的的位域组成：帧起始、伸裁域、控制域、数据域、循环冗余检验域、 第四章行波塑超声波电机的转矩特性的研究 应答域和帧结束。报文的数据帧格式如图4 2 示 帧起始仲裁域控制域数据域循环冗余检验域应菩域帧结柬 图4 3 标准报文的数据帧结构图 帧起始；帧起始标志数据帧的起始由一个显示位组成 仲裁域：包含标识符和正被发送消息的类型，在标准的格式里由1 1 位标识符和r t r 位组成 标识符由i d 号的第2 8 位至第1 8 位组成，按照从高到低的顺序发送。r t r 位是远程发送请求位， 在数据帧里是显性，而在远程帧里是隐性。 控制域：由6 位组成，包含数据长度代码和两个保留位，其保留位必须发送为显性，但接收器 接收的显性和隐性是位的组合。数据长度代码的数目在o 到8 之间，由4 位逻辑组成。 数据域：由数据帧的发送数据组成，可以是o 8 个字节，字节数由控制域决定，每个字节包含 8 位，首先发送最高有效位。 循环冗余检验域：进行循环冗余检验，保证报文传输的可靠性。 应答域：长度为2 位，包含应答间隙和应答界定符。在发送时发送2 个隐性位，在接收器接收 到有效的报文时，接收器会在应答间隙问向发送器发送一隐性位来应答。 帧结束：在每个数据帧结束由一标志序列来界定，由7 个隐性位组成。 远程帧：从一个节点发送出去以请求发送具有相同标识的数据帧，由6 个不同的位域组成：帧 起始、仲裁域、控制域、循环冗余检验域、应答域和帧结束。报文的远程帧格式如图示。 帧起始仲裁域控制域循环冗余检验域应答域帧结束 图4 4 标准报文的远程帧结构图 错误帧：发生总线错误检测时由任意节点发送的帧，由2 个不同的域组成，第一个是不同站提 供的错误标志的叠加，第二个是错误界定符。 错误标志：有2 种错误标志：激活错误标志和认可错误标志。激活错误标志由6 个连续的显性 位组成，认可错误标志由6 个连续的隐性位组成。 错误界定符：错误界定符包含8 个隐性位，传送了错误标志后，每一站就发送一个隐性位，并 一直监视总线直到检测出一个隐性位为止。 超载帧：在前面和后面的数据帧或者远程帧之间提供一个额外的帧，其包吉2 个位域：过载标 志和过载界定符。 过载标志：由6 个显性位组成，由于过载标志破坏了间歇的固定格式，所有其他的站只要检测 东南大学硕士学位论文 到过载标志，都会发出过载标志。 过载界定符：包含8 个隐性位，传送了过载标志后，每一站就发送一个隐性位，并一直监视总 线直到检测出一个隐性位为止。 4 3 3 传感器c a n 总线通讯协议 使用c a n 通信模式对m p 6 0 模块的参数进行设置读取或者修改有其特有的格式。不同的参数有 其唯一的索引和子索引组成。当数据长度超过一个字节时采用低字节一高字节的顺序传递帧。请求 读参数、应答读参数、请求写参数、应答写参数都有不同的c a n 标识符，其帧的格式也不同【1 i 。 ( 1 ) 配置传感器的相关参数 请求读参数帧格式 c a n 标识符0 x 6 1 1 第一字节 0 x 4 0 第二三字节索引 第四字节子索引 第五至八字节 0 应答读参数帧格式 c a n 标识符 0 x 5 9 1 0 x 4 f 一个字节数据 第一字节0 x 4 b 两个字节数据 0 ： 4 3 四个字节数据 帚一= 于节 索引 第四字节子索引 第五至八字节参数值 请求写参数帧格式： c a n 标识符 0 x 6 1 1 0 x 4 f 一个字节数据 第一字节0 x 4 b 两个字节数据 0 x 4 3 四个字节数据 弟一= 子节 索引 第四字节子索引 第五至八字节参数值 应答写参数帧格式： c a n 标识符 0 x 5 9 1 第一字节0 x 6 0 弟一= 平节 索引 第四字节子索引 第五至八字节 0 第四章行波型超声波电机的转矩特性的研究 应答错误帧格式： c a n 标识符 0 x 5 9 1 第一字节0 x 1 2 8 弟一= 手节 索引或者零 第四字节子索引或者零 第五六字节附加错误代码 第七字节错误代码 第八字节错误类型 ( 2 ) 读取测量数据帧的格式 转矩转速传感器测试到转速转矩量通过c a n 现场总线传递。m p 6 0 按照对c a n 协议参数的设 置发送测量到的数据，其发送的帧格式包括起始帧、数据帧和结束帧。其格式如下表示。 起始帧格式： 接收数据帧格式： t 结束帧格式： c a n 标识符 0 第一字节 1 第二字节 0 c a n 标识符 0 x 1 9 1 第一至四字节测量数据 第五字节 0 c a n 标识符 o 【第一字节 o x 8 0 i第二字节 0 4 4 行波型超声波电机转矩控制的研究 本课题对行波型超声波电机进行恒转矩控制，传感器每隔1 m s 向d s p 发送一个数据，传递电 机的转矩和转速参数，和转矩预设值进行比较，使用砰砰控制，当转矩测量值和预设值不同时，在 两个不同频率、相位差之间进行切换 5 1 1 8 1 。 4 4 1 调节相位差实现恒转矩控制 ( 1 ) 转矩预设值为0 3 n m 行波型超声波电机以4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压启动，当测试转矩小于03 n m 时，也就 是小于设定值时，继续使用4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压；当测试转矩超过0 3 n m 时，将驱动 电压由软件程序自动切换到4 2 k h z 两相相位差为负9 0 度的电压，转矩在预设值0 3 n m 波动。也就 是采用砰砰控制来实现对电机转矩的控制，电机驱动频率为4 2 k h z ，两相相位差在正9 0 度和负9 0 度之间根据转矩的大小和预设值的比较逻辑进行切换。其转矩变化的瞬态图和稳态态图如图4 5 示。 4 5 东南大学硕士学位论文 瞬态图是在电机启动后5 0 0 m s 内的转矩变化，稳态圈是电机稳定后的转矩变化图。从图上可以看到 电机在1 0 0 m s 内进入稳定状态，稳定时转矩的波动范围在l o 以内 蔓 蓑 时阃m 瞬态 目 z 疑 辩 图4 5 调相调节转矩( o 3n m ) 稳态 ( 2 ) 转矩预设值为o2 n m 行波型超声波电机以4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压启动，当铡试转矩小于02 n m 预设值时， 继续使用4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压，当测试转矩超过0 2 n m 预设值时。将驱动电压由软件 自动切换到4 2 k h z 两相相位差为负9 0 度的电压。其转矩变化的瞬态图和瞬态图如图4 6 示。 日 z 骚 辩 图4 6 调相调节转矩( o 2 n m ) 4 4 2 调频调相实现恒转矩控制 稳态 以下采用都是采用4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压启动，当测试转矩小于03 n m 预设值时。 继续使用4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压，当测试转矩超过0 3 n m 预设值时，将驱动电压切换到 不同的频率和相位差进行切换，实现对超声波电机转矩的控制。采用砰砰控制的控制策略，电机的 频率在不同的频率相位的电压下自动切换。 第四章行波型超声波电机的转矩特性的研究 ( 1 ) 采用4 4 k h z 两相相位差为负9 0 度的电压 o 4 0 3 g z 0 2 壤 辩 o 1 o t 0 02 0 0 3 0 0 时间m s 4 0 0 图4 - - 7 电压切换到4 4 k h z 相位差负9 0 度 当电机在运行在0 4 n m 时，把电机切换到4 4 k h z 两相相位差为负9 0 度的电压，转矩快速下降， 如图4 - 7 示。从图可以看出，当电机转矩超过预设值时切换到4 4 k h z 两相相位差为负9 0 度的电压 时，电机转矩下降，可实现对电机转矩的控制。 行波型超声波电机以4 2 k h z 两相相位差为9 0 度的电压启动当测试转矩小