基于DSP雙模控制的超聲波電動(dòng)機(jī)電源
王續(xù)宇，莊圣賢
(西南交通大學(xué)，四川成都610031)
摘要：從超聲波電動(dòng)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求出發(fā)，提出了一種基于DSP的PID FUZZY雙模控制方法，并給出了與之對(duì)應(yīng)的超聲波電動(dòng)機(jī)電源的設(shè)計(jì)思路及其詳細(xì)電路。試驗(yàn)表明，該方法辨識(shí)能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)精度好，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；DSP；PID—FUZZY；雙模控制
中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0043—03
0引言
由于超聲波電動(dòng)機(jī)隨著溫度、電源電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子之間靜壓力等外界條件的變化，壓電陶瓷的諧振頻率會(huì)發(fā)生漂移，系統(tǒng)呈現(xiàn)高度非線性。電機(jī)為特殊的兩相式結(jié)構(gòu)，兩相之間存在機(jī)電參數(shù)及機(jī)電耦合效應(yīng)的不平衡性等原因，使得超聲波電動(dòng)機(jī)形成一個(gè)復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)，因此不能夠用精確的數(shù)學(xué)模型完全表達(dá)超聲波電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)電源及其控制方法的研究都造成一定的難度。基于此，本文從超聲波電動(dòng)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求出發(fā)，提出了一種基于DSP的雙模控制方法，并給出了與之對(duì)應(yīng)的超聲波電動(dòng)機(jī)電源的設(shè)計(jì)思路。試驗(yàn)表明，該方法辨識(shí)能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)精度好，具有很大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
1超聲波電動(dòng)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
超聲波電動(dòng)機(jī)的主要工作特點(diǎn)是給其施加兩相相位互差一定角度的交流電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使壓電陶瓷發(fā)生諧振并帶動(dòng)定子環(huán)一起振動(dòng)，再通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或滑塊直線運(yùn)動(dòng)。在電激勵(lì)下，超聲波電動(dòng)機(jī)定子表面形成周向行波或駐波。在波峰處，質(zhì)點(diǎn)切向運(yùn)動(dòng)速度V可由下式表示[1]：
式中：ω——超聲波振動(dòng)的角頻率；
θ——兩路輸入信號(hào)的相位差；
B、A——分別為兩路輸入信號(hào)的振幅；
k——周向行波的波數(shù)，由壓電陶瓷的極化區(qū)域的分布情況確定。
由上式可以看出，波峰處的速度控制可以通過振幅比B／A，相位差θ，驅(qū)動(dòng)頻率f(f，ω/2π)來實(shí)現(xiàn)。因此超聲波電動(dòng)機(jī)首先必須能夠準(zhǔn)確并迅速地測(cè)出超聲波的諧振頻率(諧振點(diǎn)不止一個(gè))、所需兩相交流電壓的相位差、兩相交流電壓的峰值，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
對(duì)于超聲波電動(dòng)機(jī)的兩組通以互差一定相移的交流電，且當(dāng)該相位差為某一角度時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到****值。對(duì)行波型兩個(gè)激勵(lì)源要求相差π/2，但對(duì)駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)而言(特別是縱扭復(fù)合型)，由于縱扭振子在夾心定子中的位置不同，縱扭振動(dòng)傳播速度不同，很難通過計(jì)算得到縱扭振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位，以保證定子表面質(zhì)點(diǎn)縱扭振動(dòng)所需的相位差，只能通過測(cè)試方法得到，所以超聲波電源的兩路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)能夠在0～180。范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
由于超聲波電動(dòng)機(jī)是在諧振狀態(tài)下工作的，不同的超聲波電動(dòng)機(jī)，其諧振頻率不同。即使是同一超聲波電動(dòng)機(jī)，諧振點(diǎn)也不止一個(gè)；另一方面，隨著溫度的變化，其諧振頻率本身也會(huì)跟著變化。一般超聲波電動(dòng)機(jī)的諧振頻率在20～100 kHz之間，故超聲波電動(dòng)機(jī)電源的頻率輸出要求20～100kHz，且兩相連續(xù)可調(diào)。
另外，從定轉(zhuǎn)子接觸面的角度分析，兩路驅(qū)動(dòng)電壓必須可調(diào)節(jié)。
縱上所述，超聲波電動(dòng)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求如下：
(1)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位O～180。連續(xù)可調(diào)；
(2)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)可反向調(diào)節(jié)，以改變轉(zhuǎn)向；
(3)頻率輸出20～100 kHz內(nèi)可調(diào)；
(4)因驅(qū)動(dòng)對(duì)象超聲波電動(dòng)機(jī)為容性負(fù)載，故要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；
(5)具有頻率、相位自動(dòng)跟蹤功能；
(6)兩路驅(qū)動(dòng)電壓可調(diào)。
2基于DsP雙模控制的超聲波電動(dòng)機(jī)電源
2.1系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)組成基本框圖如圖1所示。
檢測(cè)環(huán)節(jié)包括速度檢測(cè)、電壓和電流檢測(cè)幾方面。速度檢測(cè)采用光電編碼器，本文采用長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的LFA-500A-18000小型高脈沖光電編碼器。它具有體 |
