二相行波超聲波電機的電壓閉環控制
王海彥， 史敬灼（河南科技大學，河南洛陽471003）
摘要：超聲波電機( USM1是一種新型微特電機，運行機理及相應的驅動、控制方式均不同于傳統電磁電機。由于制料差異、制造偏差、運行溫升及負載變化等幽素的影啊，使得二相行波USM的二相驅動電壓幅值差異較大，不符合電機的理想運行條件，直接導致電機運行性能下降、轉速波動大。針對這一問題，設計并實現了基于數字信寸處理器( DSP)的USM二相電壓閉環控制，使得二相電壓幅值一致并可控，提高了電機運行的穩定性，有利于拓展IUJSM的工業化應用范同。
關鍵詞：超聲波電機：閉環控制：電壓控制
中圖分類號：TM301.2：TM35文獻標識碼：A文章編號：1673-6540( 2009) 12-0014-03
0引言
起聲波電機( USM)利用壓電材料的逆壓電效應實現電能到機械能的轉化，并通過定、轉子間的摩擦作用將定子的微幅振動轉化為轉子的宏觀單方向運動，從而獲得機械功率輸出。USM形式多樣，二相行波USM是目前應用的主要類型。與USM的特殊運行機理相適應，其驅動控制方式與傳統電磁電機有顯著差異。以二相行波USM為例，為保證其合理高效運行，二相驅動電壓應同頻等幅；且運行頻率為超聲頻（一般為20 - 100kHz），電壓幅值較高(峰峰值一般為100 -1000V)。實際應用的USM，由于二相壓電陶瓷材料特性差異、制造偏差、運行溫升及負載變化等因素的影響，使得作用于USM的二相驅動電壓幅值差異顯著，不符合電機的理想運行條件，直接影響電機的穩定運行，轉速波動大，嚴重時會損壞電
機。為提高電機動態與穩態性能，減小轉速波動，使電機穩定高效運行，需要對電機進行電壓閉環控制。
本文在基于數字信號處理器( DSP)的二相行波USM驅動控制實驗平臺上，設計并實現了二相電壓閉環控制，使得二相電壓幅值一致并可控，提高了電機運行穩定性，有利于拓展USM的工業化應用范同。
1 電壓閉環控制的設計與實現
圖l為開環運行情況下的電機二相驅動電壓實測波形。由圖可見，二相電壓峰峰值分別為222 V和258 V差異較大。試驗用電機為國產USM60型二相行波USM，諧振頻率為41. 09 kHz。控制電路【5】采用電機控制專用DSP芯片DSP56F801作為主控芯片，H橋驅動電路結構DC 12 V供電。
為實現電壓閉環控制，首先需要獲取電壓反饋信號。二相交流驅動電壓經電阻分壓、整流成為合適幅值的低壓正值信號后，由ADC轉換為數字信號，乘以一定的比例系數后作為電壓反饋值傳遞給控制器。DSP56FSOI內置的12位ADC模塊有兩個獨立的采樣保持電路，可實現對二相驅動電壓反饋信號的同時采樣，以保證控制準確性。
電壓反饋信號的精度與準確性直接影響閉環控制效果。由于USM驅動電壓幅值和頻率較高，電路中的電壓反饋模擬信號不可避免地含有干擾噪聲，如圖2所示。如果這些干擾信號被采樣并作為電壓反饋值作用于控制器，必然導致控制器計算錯誤，進而影響閉環控制的穩定性。因此對電壓反饋信號應采取必要的濾波措施。根據對實際信號波形數據的細致分析，本文設計了三點滾動采樣取中間值的數字濾波方法，有效濾除了非正常反饋值，如圖2所示。
二相電壓反饋值分剮送至每相電壓的閉環控制器，如圖3閉環控制結構框圖所示。控制器根據電壓誤差值，給出合適的控制量使實際電壓趨近于給定值。本文控制電路采用二相H橋驅動電路結構，由DSP發出二相相移脈寬調制( PWM)信號分別控制二相H橋電路中MOSFET的通斷狀態，輸出二相交流驅動電壓。驅動電壓幅值的控制可以采用改變PWM信號占空比的方法來實現，本文介紹的電壓控制器的輸出控制量即為相應的PWM信號占空比。
通過串聯電感匹配電路的合理設計，可以減弱PWM信號占空比與驅動電壓幅值之間控制關系的非線性，使之成為近似的線性關系。因此，本文電壓控制器沒計為PI控制器，以簡化控制結構，提高響應速度。控制計算設計為式(1)所示的增量式PI控制算法：  電壓閉環控制程序流程如圖4所示。 2試驗結果及分析 |
