基于DSP雙模控制的超聲波電動機電源
王續宇，莊圣賢
(西南交通大學，四川成都610031)
摘要：從超聲波電動機對驅動電源的要求出發，提出了一種基于DSP的PID FUZZY雙模控制方法，并給出了與之對應的超聲波電動機電源的設計思路及其詳細電路。試驗表明，該方法辨識能力強、穩態精度好，具有較大的應用價值和推廣價值。
關鍵詞：超聲波電動機；DSP；PID—FUZZY；雙模控制
中圖分類號：TM35 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0043—03
0引言
由于超聲波電動機隨著溫度、電源電壓、負載轉矩和定轉子之間靜壓力等外界條件的變化，壓電陶瓷的諧振頻率會發生漂移，系統呈現高度非線性。電機為特殊的兩相式結構，兩相之間存在機電參數及機電耦合效應的不平衡性等原因，使得超聲波電動機形成一個復雜的多變量、強耦合的時變系統，因此不能夠用精確的數學模型完全表達超聲波電動機動態和穩態特性，對超聲波電動機電源及其控制方法的研究都造成一定的難度。基于此，本文從超聲波電動機對驅動電源的要求出發，提出了一種基于DSP的雙模控制方法，并給出了與之對應的超聲波電動機電源的設計思路。試驗表明，該方法辨識能力強、穩態精度好，具有很大的應用和推廣價值。
1超聲波電動機對驅動電源的要求
超聲波電動機的主要工作特點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，使壓電陶瓷發生諧振并帶動定子環一起振動，再通過定、轉子之間的摩擦力驅動轉子旋轉或滑塊直線運動。在電激勵下，超聲波電動機定子表面形成周向行波或駐波。在波峰處，質點切向運動速度V可由下式表示[1]：
式中：ω——超聲波振動的角頻率；
θ——兩路輸入信號的相位差；
B、A——分別為兩路輸入信號的振幅；
k——周向行波的波數，由壓電陶瓷的極化區域的分布情況確定。
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，驅動頻率f(f，ω/2π)來實現。因此超聲波電動機首先必須能夠準確并迅速地測出超聲波的諧振頻率(諧振點不止一個)、所需兩相交流電壓的相位差、兩相交流電壓的峰值，進而根據系統要求進行轉速調節。
對于超聲波電動機的兩組通以互差一定相移的交流電，且當該相位差為某一角度時輸出轉矩達到****值。對行波型兩個激勵源要求相差π/2，但對駐波型超聲波電動機而言(特別是縱扭復合型)，由于縱扭振子在夾心定子中的位置不同，縱扭振動傳播速度不同，很難通過計算得到縱扭振子驅動信號相位，以保證定子表面質點縱扭振動所需的相位差，只能通過測試方法得到，所以超聲波電源的兩路輸出驅動信號應能夠在0～180。范圍內連續可調。
由于超聲波電動機是在諧振狀態下工作的，不同的超聲波電動機，其諧振頻率不同。即使是同一超聲波電動機，諧振點也不止一個；另一方面，隨著溫度的變化，其諧振頻率本身也會跟著變化。一般超聲波電動機的諧振頻率在20～100 kHz之間，故超聲波電動機電源的頻率輸出要求20～100kHz，且兩相連續可調。
另外，從定轉子接觸面的角度分析，兩路驅動電壓必須可調節。
縱上所述，超聲波電動機對驅動電源的要求如下：
(1)兩路驅動信號相位O～180。連續可調；
(2)兩路驅動信號可反向調節，以改變轉向；
(3)頻率輸出20～100 kHz內可調；
(4)因驅動對象超聲波電動機為容性負載，故要實現阻抗匹配；
(5)具有頻率、相位自動跟蹤功能；
(6)兩路驅動電壓可調。
2基于DsP雙模控制的超聲波電動機電源
2.1系統框圖
系統組成基本框圖如圖1所示。
檢測環節包括速度檢測、電壓和電流檢測幾方面。速度檢測采用光電編碼器，本文采用長春第一光學儀器廠生產的LFA-500A-18000小型高脈沖光電編碼器。它具有體積小、力矩小、可靠性高、壽命長等優點。5V電源，一周輸出18 000個脈沖。采用M／T法測量。電壓檢測和電流檢測從主回路得到，其一般用作過流檢測和過壓檢測，也用作電流和電壓值的測量。超聲波電動機有兩種，一種有s端(sTATus)，尤其可測出振動狀態的變化情況，從而得到其****諧振點。另一種元5端，因諧振點的回路電壓和回路電流的特別性，我們可通過電壓檢測和電流檢測值得到其諧振點。
控制板是整個系統控制、保護的核心。
2．2控制系統設計
控制系統構成如圖2所示。圖2中，輸出回路電壓信號和電流信號經過外部處理電路進行濾波、整形、隔離處理，一路進入到A／D轉換器。A／D轉換器采用ADS7864芯片，其為一12位的轉換器，由圖4--中央處理器TMS320F243控制轉換器的開始、轉換輸出和轉換模式，A／D轉換結果存人到HFO芯片中。振動信號s直接經過外部處理電路進行濾波、整形、隔離處理，進入到A／D轉換器。對由光電編碼器輸出信號的脈沖信號，經HcTL2032芯片濾波、倍頻后，將計數結果以二進制形成從總線輸出至DsP，以提高超聲波電動機及其系統的定位精度。
系統工作時，DsP利用頻率、相位自動跟蹤技術對功率進行自動調節[2]，DsP輸出頻率信號由數據總線輸出至D／A轉換器DAc0832，D／A轉換器以電壓形式表示了輸出頻率的大小，其輸出電壓與DsP輸出頻率成正比，因我們需要的是頻率信號，故采用了一個差頻式壓頻變換器，由cPLD接受差頻壓頻變換器的輸出信號，完成兩相頻率控制信號。
移相由cPLD完成，cPLD中設置兩計數器。一個以正常方式計數并形成一相電源的控制信號，另一個計數器按移相要求角度在前一控制信號的基礎上產生相移，以產生另一相的控制信號。但兩控制信號的頻率由差頻壓頻變換器的輸出信號決定。因為產生相移的困難性，考慮到超聲波電動機電源要求頻率范圍從20～100 kHz內可調，所以本文采用頻率放大的原理。在差頻壓頻變換器內將20～100kHz的頻率同乘360，可得頻率范圍為7.2～36MHz，內部設有兩個振蕩器，一個為固定l00MHz的振蕩器，另一個為107．2～136 MHz(考慮到溫度對諧振頻率的影響，采用105～140 MHz)。這樣，以正常方式計數并形成一相電源的控制信號的計數方式為每計360電平變化一次，另一個按移相要求角度在前一控制信號的基礎上產生相移的計數方式，可按滯后移相角度乘2的關系計數實現相移。
由cPLD產生的脈沖信號經光耦隔離后進入極性變化器。它將當極性信號變成了雙極性信號，最后經兩路推挽功率電路輸出。
2．3基于DSP的雙模(PID—FuzzY)控制
根據前面的描述可知，系統需對頻率、相位和速度均實現閉環控制，但由于超聲波電動機的非線性特性，且參數時變，因此很難建立精確的數學模型。
常規的PID(比例、積分、微分調節器)是過程控制中應用****泛、最基本的一種控制器，消除穩態誤差的能力強，控制精度高，然而常規PID控制器對于非線性、時變的復雜系統和模型不清楚的系統不能很好的控制，其PID參數不是整定非常困難，就是根本就無法整定，因而得不到預期的效果[3]。模糊控制器(FuzzY)是以誤差和誤差變化作為輸入量，因此具有模糊比例-微分控制作用，但這種模糊控制系統的穩定性能也不能令人滿意；另一方面要提高模糊控制器的精度和跟蹤性能，就必須對語言變量取更多的語言值，即分檔越多，性能越好，但同時帶來的缺點是規則數和系統的計算量也大大增加，以致模糊控制規則更難把握，調試更加困難或者不能滿足實時控制的要求[4]。針對以上情況，本文將PID調節器和模糊控制器的優點結合起來，建立基于DSP的PID-FuZZY雙模控制方式，這種控制策略是在大偏差范圍內采用模糊控制，小偏差范圍內轉換成PID控制。
基于DsP的雙模(PI-FuZZ5)控制框圖如圖3所示。圖中，Ym(k)為給定速度，Y(k)為實際速度，
速度偏差量e(k)=Ym(k)-Y(k)，速度偏差量的變
4結語
從試驗結果來看，本超聲波電源設計合理，運行可靠。當采用常規的PID控制時，超調量大，過渡時間長。采用模糊控制時，動態響應過程較常規算法要快，但在穩態情況下穩態誤差較大，當環境等參數發生變化時，系統穩定。采用PID—FuZZY雙模控制時，系統無超調，穩態誤差為零，過渡過程短，在受到擾動時控制品質變化不大，其主要原因是：對被控對象的不同時期采用不同的控制算法，所以系統既具有良好的穩態性能，又具有模糊控制良好的動態性能及魯棒性強的特點。另外。量化因子的大小直接關系著PID模糊控制的系統特性。化量e(k)=e(k)-e(k-1)，u為控制量(速度調節器上的電壓)。
但是模糊控制器的控制規則一經確定，則在整個控制過程中就不會改變，所以難以克服電機速度特性變化對控制性能的影響。針對這種情況，本文在模糊控制器的基礎上，加上一個自校正環節，采用****偏差時間積分(ITAE)作為性能指標，在系統控制過程中，通過修正因子a、b的在線自尋優來優化模糊控制器。實現對控制規則的自調整，達到提高控制系統品質的目的。
3試驗結果
為驗證電路設計的合理性和P1D—FuZZY雙模控制器的控制效果，對某研究所研制的55CS01型超聲波電動機進行了測試。圖4為單獨采用常規PID的階躍響應曲線，圖5為采用單獨模糊控制相應階躍曲線；圖6為采用PID—Fuzz5雙模控制器控制算法相應曲線。
總之，基于DSP的PID—FuZZY雙模控制超聲波電動機電源能夠良好地控制超聲波電動機，系統精度高，動態性能好，穩態性能高，具有較大的實用價值。
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