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工学硕士学位论文 基于神经网络的行波超声波电机 驱动控制系统的研究 张 磊 哈尔滨工业大学 2006 年 6 月 国内图书分类号：TM301.2 国际图书分类号: 621 工学硕士学位论文 基于神经网络的行波超声波电机 驱动控制系统的研究 硕 士 研 究 生：张 磊 导 师：陈维山 教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科 、 专 业：机械电子工程 所 在 单 位：机电工程学院 答 辩 日 期：2006 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index：TM301.2 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE STUDY ON THE DRIVE AND CONTROL SYSTEM OF TRAVELING WAVE ULTRASONIC MOTOR BASED ON NEURAL NETWORK Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Specialty： Affiliation: Date of Defence： University： Zhang Lei Prof. Chen Weishan Master of Engineering Mechatronics Engineering School of Mechatronics Engineering June, 2006 Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通 过摩擦耦合来直接驱动转子或滑块的运动，它作为一种直接驱动电机已成为 当前机电控制领域的一个研究热点。本文针对超声波电机(USM)驱动控制 系统的实现做了进一步的研究和设计。文中根据USM的特点，设计了一种 新型的驱动电路用来实现电机的频率自动跟踪及驱动电机的运转，并采用了 智能控制理论中的BP神经网络算法，利用数字信号处理器(DSP)的运算能 力强、精度高、速度快等特点，实现了一个超声波电机的驱动控制系统。本 文在阅读和分析了大量国内外有关参考文献的基础上，做了以下研究工作： 介绍了BP神经网络在USM速度控制系统中的应用。利用Matlab7.0中 的神经网络工具箱进行结构设计和离线训练，通过仿真实验最终确定了2-8- 1的三层网络结构，将训练后得到的权值、阈值结果写到DSP中，进行控 制过程中给定速度的在线训练，从而达到控制电机转速的目的。 由于超声波电机的温升、负载变化及周围环境变化等原因，使电机的谐 振频率发生漂移，这将影响超声波电机运行的稳定性。本文研究并设计了一 种新型的驱动电路，用以实现超声波电机的驱动和频率的自动跟踪。其中， 主要对低通滤波电路、反馈电路、可调节频率的信号发生电路、移相电路及 功率逆变电路进行了研究及阐述。 根据USM的特点，选取一款专用于电机控制的DSP芯片TMS320LF 2407A，设计了硬件接口电路、各功能部分的流程图及控制算法程序，以CCS为编译环境，进行电机整个控制系统的软件编写与调试。搭建了一个 基于DSP的USM整体驱动控制系统，对系统进行测试实验，实验结果表 明：本系统运行稳定、响应速度较快，能够较好的实现USM的驱动及调速 控制。 关键词 超声波电机；DSP；神经网络；驱动电路；控制 -I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Ultrasonic motors vibration is excited by the conversely piezoelectric effect of piezoelectric materials. With the friction coupling, the rotation of the rotor or moving of the slider is generated. As a direct driving motor, it is becoming a hotspot in the field of mechanical and electrical control. In this paper, A farther study and design on drive and control of USM is made. According to USMs characteristic and its driving theory, a new kind of USMs drive and control circuit is designed, it is used to realize frequency tracking and drive USM, an algorithm using BP neural network is selected for the system. This system is implemented on a DSP because the DSP is accuracy and efficient. On basis of referring and analyzing a large quantity of literatures, the following work has been carried out. The application of BP neural network to speed control system on USM is discussed, and a program is designed for training the BP neural network by Matlabs nntool, a three layers neural network of 2-8-1 is determined through simulation, then write the weights and biases of the NN into DSP to make on-line training, and it reaches the purpose of controlling USMs speed. Because of the temperature rising of ultrasonic motors, load changes, and vicinal surrounding changes and so on, the resonant frequency will shift, leading to working stability drop. A new kind of driving circuit is designed, it realizes driving and frequency tracking of USM. The proposed driving circuit includes a low-pass filter circuit、feedback circuit、signal generated circuit、phase shifted circuit and power inverter circuit. A TI cooperations DSP(TMS320LF2407A) is chosen for the drive and control system based on the characteristics of USM, the interface circuit、each functions flow chart and algorithm program are designed. The program of whole control system is testing on the plat of CCS. A USM drive and control system based on DSP is designed, the results show that the instrument is efficient and accurate, and run stably, so it can realize drive and control of USM better. Keywords USM, DSP, neural network, drive circuit, control. - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要.I Abstract . II 第1章 绪论. 1 1.1 引言. 1 1.2 超声波电机的基本原理及特点. 2 1.2.1 超声波电机的基本原理. 2 1.2.2 超声波电机的特点. 3 1.3 超声波电机驱动控制技术. 4 1.3.1 超声波电动机对驱动控制的技术要求. 4 1.3.2 超声波电机驱动控制技术的研究现状. 4 1.3.3 超声波电机的控制方法和控制策略. 5 1.4 本文研究的主要内容. 7 第2章 超声波电机神经网络控制方法的设计. 8 2.1 神经网络的基本理论. 8 2.1.1 神经网络控制的基本思想. 8 2.1.2 神经网络的特点. 9 2.1.3 神经网络控制的设计原则. 10 2.1.4 神经网络控制存在的问题. 10 2.2 BP神经网络的算法与结构. 11 2.2.1 BP神经网络的学习算法. 11 2.2.2 BP神经网络的结构设计. 12 2.3 BP神经网络速度控制器的设计. 14 2.3.1 BP神经网络控制器的结构及参数设计. 14 2.3.2 BP神经网络控制器的算法设计. 15 2.3.3 BP神经网络学习算法的改进. 17 2.3.4 基于MATLAB神经网络控制器的设计. 18 2.4 本章小结. 21 第3章 行波型超声波电机驱动电路的设计. 22 3.1 超声波电机驱动-控制电路结构. 22 - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2 低通滤波电路的设计. 23 3.2.1 基本原理. 23 3.2.2 硬件电路设计. 24 3.3 电压反馈回路. 25 3.4 可调节频率的信号发生电路. 26 3.5 移相电路. 28 3.6 功率逆变电路. 30 3.6.1 功率逆变电路拓扑结构的选择. 30 3.6.2 全桥式逆变电路的设计. 32 3.7 本章小结. 33 第4章 基于DSP的超声波电机控制系统的设计. 34 4.1 系统设计方案. 34 4.2 总体程序介绍. 35 4.3 PWM电路及程序设计. 36 4.4 串行通信接口硬件电路及软件程序设计. 37 4.4.1 串行通信接口的硬件电路设计. 37 4.4.2 串行通信子程序软件设计. 38 4.5 正交编码器脉冲电路(QEP). 39 4.5.1 基于QEP的测速方法. 39 4.5.2 正交编码脉冲电路的设计. 40 4.5.3 测速子程序软件设计. 42 4.6 调速控制算法子程序的设计. 42 4.7 本章小结. 43 第5章 超声波电机驱动控制系统的实验研究. 44 实验装置的建立. 44 超声波电机的阻抗匹配. 44 实验研究及数据分析. 46 本章小结. 49 结论. 50 参考文献. 51 攻读学位期间发表的学术论文. 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明. 56 - IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书. 56 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理. 56 致谢. 57 -V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 引言 超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM)的基本结构及工作原理完全不同 于传统的电磁电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，而是一种利用 超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振动学、摩擦学、 功能材料、电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物。它是利用压电陶 瓷的逆压电效应激发超声振动(频率20kHz)，然后通过定、转子之间的接触 和摩擦力，将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电能到机械能的 能量转换1。USM 的能量传递也可以通过气体或者液体媒质耦合来实现，由 于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性 能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不 受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等。可以说， 超声波电机技术是处于当今世界高新技术之一。 目前USM的产业化和实用化正在蓬勃发展，在一定程度上开始取代某些小 型电磁电机。国外在上世纪90年代开始进入超声波电机的实用化、商品化开 发阶段。如日本已将超声行波环形电机用于照相机镜头的自动聚焦系统2；美 国JPL实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置3；此外像 目前传真机、高级打印机等很多现代化办公设备中出现的平板振子输送纸机 构、X-Y绘图仪、直角坐标自动定位装置等，体现了超声波电机广阔的应用前 景4。我国在这方面的研究虽起步较晚(90年代初)，但也取得了一些突破性成 果，如清华大学已研制出直径1mm的弯曲旋转超声电机；哈尔滨工业大学研 制出的三维接触驱动式超声电机、无轴承新型超声电机、双定子单转子式超声 电机等。目前，日本在该领域的研究处于世界领先地位，几乎拥有大部分有关 超声电机的发明专利，并且个别种类的超声电机已经实现产业化，在国民经济 中发挥着重要作用5。 -1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 超声波电机的基本原理及特点 1.2.1 超声波电机的基本原理 超声波电机工作的典型特征是它的两个能量转换过程，见图1-1。第一阶 段，利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成弹性材料中质点超声频率的振动 能，选择激励频率激发出机械结构设计需要的振动模态，从而在定子表面形成 质点的椭圆或Lissajous 运动，转换效率依赖于振动体的几何结构和材料特性 及压电激励的性质。其振动模式主要是纵振、弯曲振动、或扭振，或者它们之 间的相互叠加；第二阶段，振动体表面质点的超声频率的微观的直线或椭圆振 动通过机械机构的共振放大及摩擦耦合作用转换成转子的宏观运动，即超声振 动能转化为转子的运动能6。 图1-1 超声电机工作原理及换能过程 Fig.1-1 Operating principle of rotate traveling wave ultrasonic motor 根据超声波电机的功率要求，需要压电陶瓷具有较高的机械品质因数 Q m ，较高的压电常数d33，机械损耗角tan要小，机电耦合系数要大，PZT 的介电常数较大，因此超声波电机相对功率驱动系统属于容性负载。 超声波电机的工作原理简单、应用结构灵活，而且对应用环境没有特殊要 求。纵观超声波电机，其结构差异很大，导致其性能差异也很大7，这主要是 由于压电陶瓷极化的多样性和机构变换的多样性所造成。 -2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2.2 超声波电机的特点 由于超声波电机摩擦驱动的原理，它具有以下普通电磁电机所不具备的特 性，这些特性使它在许多领域广泛应用8,9。 (1)体积小、重量轻、功率密度大 在传递同样功率的情况下，超声波电机 的重量和体积仅为普通电磁电机的1/8或1/5，特别它的轴向尺寸很小，特别 适用于有特殊要求的场合。小型电磁电机的功率密度一般为30W/kg左右。超 声波电机的功率密度理论上为普通电磁电机的510倍。 (2)低速、大力矩 超声波电机的力矩密度(力矩/重量比)是电磁电机的1001000倍以上。这个特点使得超声波电机可直接带动执行机构，去掉减速 机构，这不仅可以减小体积、减轻重量，而且能提高系统的精度、响应速度和 刚度。 (3)控制性能好、断电静态保持力矩大 超声波电机的摩擦驱动机理使其具 有响应快、断电静态保持力矩大的优点。超声波电机的起动时间一般在几个毫 秒之内，而下降时间则更短。超声波电机在断电时由于定子、转子之间的静摩 擦力作用，使电机具有较大的静态保持力矩。 (4)无电磁干扰 超声波电机依靠摩擦驱动，没有磁极，因此不产生电磁 场，工作时也不受电磁场的干扰。这一特点使超声波电机非常适合在光学系统 或超精密仪器上应用，以及强磁场下的工作环境。在需要无磁干扰的工作环境 中，采用超声波电机也是非常适宜的10。 (5)结构简单灵活、运动形式多样 设计中可考虑空间、形状、重量和使用 要求对超声波电机进行灵活设计，易于实现结构小型化、轻量化，便于批量规 模化生产。 (6)寿命、噪声、可靠性问题 由于超声波电机的驱动绝大部分是接触式 的，这必然带来定、转子间的摩擦损耗问题。目前，所研制的小功率行波超声 波电机的连续工作寿命一般在几千小时左右，而对于功率较大的电机寿命则要 短些。理论上，超声波电机的振子工作在超声频范围内，无噪声，而实际上， 由于工作时定、转子间超声频碰撞、摩擦，以及加工、装配工艺的不严谨带来 的接触行为的不稳定，使电机产生严重的噪声。超声波电机的可靠性也受压电 陶瓷自身性能稳定程度和摩擦副的磨损的影响。 -3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.3 超声波电机驱动控制技术 1.3.1 超声波电动机对驱动控制的技术要求 根据行波型超声波电动机的结构特点和运动机理，对于其驱动控制电路的 设计提出如下特殊要求1113 ： (1)由于压电材料性能的不稳定和温度升高等因素造成电机工作状态发生变 化，或为了满足某种工作状态(最大效率、最大输出力矩等)要求，系统应当具 有频率自动跟踪控制的功能； (2)为满足定子共振条件并产生行波，要求具有变频功能和鉴相功能； (3)超声波电机具有容性负载特性，需要设计匹配电路，以实现功率匹配、 滤波和谐振升压的功能； (4)根据电机的运动机理和应用要求，选择调压、调频或调相中的一种方式 或混合方式进行调速和定位控制； (5)系统应具有正、反转控制功能，同时为了弥补相同条件下正反转速度不 一致的弊端，还应能实现正反转速度平衡控制； (6)由于超声波电机的非线性，难以建立其数学模型。为了实现超声波电机 快速、准确、稳定的控制，系统应选择合适的反馈信号和控制信号，并设计相 关的控制算法。 1.3.2 超声波电机驱动控制技术的研究现状 目前国内外关于行波超声波电机的驱动控制，主要分为三大主题：一是关 于功率驱动电路的研究，台湾Chung Yuan Christian大学Faa-Jeng LIN通过对超 声波电机逆变驱动电路不同拓扑结构14的研究，旨在提高系统的品质因数以达 到保证两相电路的平衡、提高系统效率的目的；二是采用参考模型或者实验模 型15，多采用变频控制，其相关的控制规律几乎没有例外地采用变参数PI调节 器、神经网络控制、模糊控制等智能控制；三是对于等效模型的仿真研究，德 国学者J.Mass 16采用刚性接触模型进行了机理模型的仿真研究。 Nogarede B等提出了机电等效电路的分析方法；1997年以来Faa-JengLin 对超声波电机的驱动与控制作了大量研究。主要采用LLCC拓扑结构的高阶谐 振功率逆变驱动电路17，在改善电路品质因数的基础上，系统的高频响应改善 了逆变电路的工作质量，而且便于驱动电路的优化设计；采用频率控制，采用-4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 模糊控制、神经网络控制、自适应控制技术及几种控制方法的配合1820使用， 在一定程度上取得了满意的控制效果。 日本Kubota Corporation 的Yuji Izuno主要采用变系数PI调节器和模糊控制 21器结合双闭环（频率环和电压环）控制器结构进行超声波电机的伺服控制。 1995年以来，德国Paderborn大学的J. Mass采用机械振动系统之间等效变换 的分析方法，针对行波旋转式超声波电机的仿真模型进行了大量的研究工作， 并在模型参数识别的基础上16，建立了行波超声波电机平均模型；应用神经网 络控制方法补偿电机的非线性，采用模型参考控制方案22，利用双闭环结构： 内环电压环，控制振动参数，优化行波参数，采用PI控制器，并通过在线参数 识别、自适应控制，频率跟踪等手段补偿系统的非线性、时变过程，优化驱动 性能；外环控制速度与转矩，在内环控制的基础上，叠加ACS(An Active Control Stick)控制23，以降低温度变化的影响，通过对行波质量控制，优化速 度-转矩控制，取得较好的动态响应效果。同时采用电压调整以补偿系统频率 的漂移，控制电机的速度，避免了频率的非线性滞后。这种超声波电机系统具 有良好的动态性能，并最大限度的减小电路系统的能量损耗，提高系统效率。 1998至2001年，日本Ryukyus大学Tomonobu Senjyu等一直致力于超声波电 机的速度控制和位置控制，采用频率保持不变，调整两相相位差的方法控制超 声波电机的速度和位置，主要采用神经网络控制24、模糊控制25及模型参考自 适应(MRAC)控制算法在线识别系统参数，进行死区补偿。速度死区随负载力 矩的大小而变化，可以通过观测器采取死区效应补偿，从而提高了位置控制精 度。 针对行波超声波电机的严重非线性、时变性、以及对电机温度的严重依赖 性，及由于转子与定子的不均匀接触而导致摩擦力的不稳定，出现转子旋转速 度波动等一系列问题，目前大多采用自适应控制方法，或应用神经网络理论、 模糊控制、变结构控制等，配合PI调节器及多输入控制策略26，在线学习、在 线辨识模型参数，以补偿参数的时变性，准确地逼近超声波电机输入与输出之 间的非线性关系，从而达到准确的速度控制和位置控制。 1.3.3 超声波电机的控制方法和控制策略 超声波电机速度控制方式有以下几种：(1)变频控制27,28，即通过调节谐振 点附近的频率控制速度和力矩。这种方法响应速度较快，但谐振点可调范围较 窄且速度与时间不是线性关系。(2)控制电压幅值，虽然较容易实现，但调节范-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 围有限，电压过高或过低都是不允许的。(3)通过改变两相电压的相位差改变定 子表面质点的椭圆运动轨迹，从而实现速度调节。这种方式的优点是换向平 稳，但很难实现低速启动，也难以设计出简单的驱动电路。(4)脉宽调制(PWM) 控制29,30，即通过控制定周期内正反转的脉冲数量实现速度调节。电路设计简 单，操作方便，应用较多，但存在一定的噪音。 相对于超声波电机的速度控制，其他动态参数的调节较容易，如：超声波 电机的位置可通过位置传感器进行反馈控制31,32；转矩大小可由相位差控制或 调节预紧力实现；转向可通过改变两相供电电源相位切换实现等。 稳定的转速控制需要为其建立闭环并采用适当的控制算法。研究人员常采 用下列的控制策略：固定增益与可变增益的PI控制33，自适应控制34，负载自 适应频率跟踪控制35，模糊逻辑控制3640，神经网络控制41,42等。各种控制策 略的比较如表1-1示。 表1-1 各种控制策略的比较 Table 1-1 Comparison of control strategies 控制策略 PI控制 软件变增益PI控制 自适应控制 负载自适应 频率跟踪控 制 模糊控制 神经网络控 制 前馈控制 控制的特点 增益固定，控制算法简单，控制器 调整方便 增益随时改变，算法复杂， 在线进行 模型相近，参数在线辨识，随时调 整，随时补偿速度特性的偏差 驱动频率始终能够跟随定子谐振频 率的变化，转速在恒负载下 维持一定 使用基于处理器的模糊控制器，控 制速度快，无需电机的数学模型 在线学习，方便的进行变系数自适 应，可实现无静态位置误差控制 前馈控制参数自适应空算法调整， 在自适应过程结束后，使用前馈控 制器控制输入 不足之处 随着USM特性的变化，对其指 令位置无法发生相应的变化，速 度控制性能差 需要嵌入复杂的计算单元 高阶次的数学模型辨识，需要大 量的计算时间 没有完全补偿电机的非线性，利 用电机本身数学模型不足，负载 变化波动大，控制性能一般 要具有较多的电机运行经验 在对电机模型假设时，可能会存 在计算量多的问题 为离线控制状态，只适应比较固 定的对象 由于超声波电机当前没有完善的理论模型而且可靠性较差，经典的控制算-6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 法往往在超声波电机的控制中遇到难题，因此，到目前为止尚未有成型的控制 策略，将智能控制理论应用到超声波电机控制中收到了较好的效果，使电机的 运动性能得到一定的改善。而驱动控制技术决定着电机的运动性能，因而超声 波电机驱动与控制系统的继续研究和尝试对其实用化有着深远的意义。 1.4 本文研究的主要内容 超声波电机可靠性差、理论模型不够简单、准确以及控制技术的局限性等 诸多因素制约着超声波电机进一步的实用化，综合考虑超声波电机的各种驱动 控制方法，本文将采用基于DSP和BP神经网络理论来研究超声波电机的驱动 和速度控制特性。本文的主要研究内容如下： 1. 超声波电机神经网络控制器的设计：利用Matlab7.0中的神经网络工具 箱进行结构设计，参数选择和算法设计，为在线训练的控制软件实现提供数 据，从而进行USM的速度控制； 2. 针对行波型USM的自身特点，提出并设计了一种新型驱动控制电路， 主要包括低通滤波电路、电压反馈回路、可调节频率的信号发生电路、移相电 路及功率逆变电路，利用所设计的驱动电路，可以较好地实现电机的频率自动 跟踪及驱动功能； 3. 采用DSP(TMS320LF2407A)作为控制系统的主要器件，设计了硬件接 口电路、各功能部分的流程图及控制算法软件设计，并以CCS为编译环境， 进行超声波电机整个控制系统的软件编写与调试； 4. 整个驱动控制系统的构建，并通过实验，测试超声波电机的运行性能。 -7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 超声波电机神经网络控制方法的设计 超声波电机是一种新型的直接驱动型微电机，由于其独特的工作原理是基 于高频机械振动和摩擦力来驱动的，其定转子之间滑动率的不确定性、定子谐 振频率随温度变化的特性，诸