行波超聲波電機伺服控制技術(shù)研究進展
摘要：超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，電機輸入輸出之間存在明顯的非線性和時變性，文章總結(jié)了國內(nèi)外行波超聲波電機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，論述了行波型超聲波電機速度控制和位置控制技術(shù)的研究進展。
關(guān)鍵詞：超聲波電機；伺服控制；研究進展
O引言
超聲波電機(u1∞sonic Motor簡稱uSM)是國外八十年代發(fā)展起來的新型微電機，它是一種將壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激發(fā)的微觀振動作為驅(qū)動力，通過多種振動模式的轉(zhuǎn)換與耦合，使電能
轉(zhuǎn)變成機械能的驅(qū)動裝置。近年來，超聲波電機作為一種直接驅(qū)動電機取得了飛速發(fā)展，并且在伺服控制方面日益表現(xiàn)出其優(yōu)良工作特性。超聲波電機從出現(xiàn)到現(xiàn)在僅有十多年的時間，但它已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)控制、精密儀器儀表、汽車專用電器、辦公自動化設(shè)備、智能機器人等領(lǐng)域中。超聲波電機推廣應(yīng)用和它的驅(qū)動控制技術(shù)分不開的，只有結(jié)合有效的控制方法和控制策略，才能充分發(fā)揮超聲電機的****性能。
1行波超聲波電機速度控制的研究
超聲波電機輸入輸出之間存在明顯的非線性和時變性。轉(zhuǎn)速控制主要分為減緩電機時變特性的狀態(tài)反饋控制和轉(zhuǎn)速精確調(diào)整的輸出反饋控制。
1 1狀態(tài)反饋控制
為了克服諧振點隨電機溫度變化而漂移，通常有恒孤極電壓控制和恒激勵電壓電流阻抗角控制兩種方法“】。在這類控制方式中，控制器的饋入量并非轉(zhuǎn)速值，而是電機自身的狀態(tài)特征參數(shù)。圖1為1992年日本人Funlya設(shè)計的基于H調(diào)節(jié)器的孤極控制器框圖鋤，使孤極電壓E s基本不隨電機溫度變化而變化，減緩由溫升帶來的電機轉(zhuǎn)速變化。圖2為其設(shè)計的恒阻抗角控圖，
控制器采集電機電壓信號和電流信號，經(jīng)鑒相器后產(chǎn)生的電壓信號可反映行波超聲波電機等效電路的阻抗角變化，控制器通過調(diào)整頻率控制該電壓信號基本不變，克服電機諧振點因溫升帶來的變化。
1998年法國人Ferreira提出了孤極電壓、阻抗角雙閉環(huán)復(fù)合控制吲，系統(tǒng)框圖如圖3所示他根據(jù)阻抗角≯調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率來克服諧振點漂移；利用根據(jù)孤極電壓來條件PWM波的占空比
克服由于負(fù)載變化造成的諧振點變化，進而克服轉(zhuǎn)速變化。
1 2輸出反饋控制
解決行波超聲波電機輸入輸出間的非線性關(guān)系和動態(tài)數(shù)學(xué)模型的不精確性，速度控制算法中通常要加入模糊、神經(jīng)元等智能環(huán)節(jié)。變參數(shù)調(diào)節(jié)是行波超聲波電機轉(zhuǎn)速控制的主要特征。
國內(nèi)外學(xué)者利用實際轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速誤差的變化率與轉(zhuǎn)速誤差作為輸入構(gòu)成二元模糊控制器，利用頻率調(diào)節(jié)對行波超聲波電機的轉(zhuǎn)速特性進行了相關(guān)控制研究。通過實際轉(zhuǎn)速設(shè)計模糊規(guī)則，可以直接體現(xiàn)電機的菲線性，但轉(zhuǎn)矩改變時，模糊推理器的輸入輸出需要有較大調(diào)整，在跟蹤控制中模糊規(guī)則的制定存在難度。
由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性的能力，1998年T Senjyu利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)的在線自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，在線調(diào)整控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過改變驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，克服電機
運行時的非線性，控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。在控制器中，轉(zhuǎn)速的設(shè)定值和轉(zhuǎn)速誤差作為網(wǎng)絡(luò)輸入，頻率的調(diào)整值作為輸出。
為了解決單控制算法控制效果受限的問K．T Chau設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理的轉(zhuǎn)速控制器(NFC)，控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示㈣。控制器采用頻率、電壓(占空比)雙調(diào)節(jié)量控制，利用調(diào)壓調(diào)速線性化程度高的特性緩解行波超聲波電機的部
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