行波超聲波電機伺服控制技術研究進展
摘要：超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將電能轉化為機械能，電機輸入輸出之間存在明顯的非線性和時變性，文章總結了國內外行波超聲波電機控制技術的發展趨勢，論述了行波型超聲波電機速度控制和位置控制技術的研究進展。
關鍵詞：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)是國外八十年代發展起來的新型微電機，它是一種將壓電陶瓷逆壓電效應激發的微觀振動作為驅動力，通過多種振動模式的轉換與耦合，使電能
轉變成機械能的驅動裝置。近年來，超聲波電機作為一種直接驅動電機取得了飛速發展，并且在伺服控制方面日益表現出其優良工作特性。超聲波電機從出現到現在僅有十多年的時間，但它已經應用于工業控制、精密儀器儀表、汽車專用電器、辦公自動化設備、智能機器人等領域中。超聲波電機推廣應用和它的驅動控制技術分不開的，只有結合有效的控制方法和控制策略，才能充分發揮超聲電機的****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。轉速控制主要分為減緩電機時變特性的狀態反饋控制和轉速精確調整的輸出反饋控制。
1 1狀態反饋控制
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速值，而是電機自身的狀態特征參數。圖1為1992年日本人Funlya設計的基于H調節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速變化。圖2為其設計的恒阻抗角控圖，
控制器采集電機電壓信號和電流信號，經鑒相器后產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、阻抗角雙閉環復合控制吲，系統框圖如圖3所示他根據阻抗角≯調節驅動頻率來克服諧振點漂移；利用根據孤極電壓來條件PWM波的占空比
克服由于負載變化造成的諧振點變化，進而克服轉速變化。
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系和動態數學模型的不精確性，速度控制算法中通常要加入模糊、神經元等智能環節。變參數調節是行波超聲波電機轉速控制的主要特征。
國內外學者利用實際轉速或轉速誤差的變化率與轉速誤差作為輸入構成二元模糊控制器，利用頻率調節對行波超聲波電機的轉速特性進行了相關控制研究。通過實際轉速設計模糊規則，可以直接體現電機的菲線性，但轉矩改變時，模糊推理器的輸入輸出需要有較大調整，在跟蹤控制中模糊規則的制定存在難度。
由于神經網絡具有逼近任意非線性的能力，1998年T Senjyu利用BP神經網絡(NN)的在線自學習和自適應功能，在線調整控制器結構參數，通過改變驅動頻率調節電機轉速，克服電機
運行時的非線性，控制器結構如圖4所示。在控制器中，轉速的設定值和轉速誤差作為網絡輸入，頻率的調整值作為輸出。
為了解決單控制算法控制效果受限的問K．T Chau設計了基于神經網絡模糊推理的轉速控制器(NFC)，控制器結構如圖5所示㈣。控制器采用頻率、電壓(占空比)雙調節量控制，利用調壓調速線性化程度高的特性緩解行波超聲波電機的部分非線性。該控制器將速度誤差作為輸入，利用神經網絡優化模糊控制器輸入、輸出量的隸屬度函數。
1998年T seI】_jyu設計了行波超聲波電機自校正控制器，控制器結構如圖5所示，該控制器利用在線辨識模型，通過最小方差控制律原則調整驅動頻率，使設定轉速與實際轉速之差趨向最小。由于目前行波超聲波電機的階次并無明確的定論，而最小方差控制率的控制效果對辨識模犁的階次以及延時準確選擇的依賴性較大，因此控制效果受到制約。
為了提高辨識精度，國內學者夏長亮利用徑向基函數神經網絡對行波超聲波電機模型進行在線辨識。間時為了提高控制器實時運算性能，其隱層個數和基寬度等參數通過離線辨識獲取，
但網絡逼近能力受到訓練樣本數量的限制。J．Maas利用神經網絡利用測試數據建立多輸入多輸出模型，實現了固定參數的PI多變量控制”“。由于控制器需要通過實驗數據建立解耦模型對數據量要求大，通用性受到影響。在對行波超聲波電機轉速控制特性的研究中，國內外學者也利用其他相近控制算法在自校正參數調節方式神經網絡結構選擇”和溫度對轉速的影響。等方面做出了有益的嘗試。
2行波超聲波電機位置控制的研究
行波超聲波電機位置控制是建立在速度控制基礎上的，它與速度控制有許多相似之處，同樣需要模糊推理、}十經網絡自學習等變參數調節手段。由于位置變化可以看作轉速的積分過程，位置控制是一種利用微分變化調節積分變化的過程。因此位置控制對控制器調節能力的要求更高。
由于通過單一調節驅動頻率不能改變電機行波的運動方向，電機轉動方向無法調節。在位置控制中特別是位置隨動控制中，速度的正負變化是無法避免的，通過對兩相驅動信號相位差±州2直接切換會造成在切換點轉速的劇烈抖動。1995年Tsen】yu分析了行波超聲波電機定子行波方向對電機運行狀態的影響，并在此基礎上提出利用驅動頻率和相位差的雙調節量控制，解決電機轉向發生變化時的轉速跳躍問題。其中相位調節采用PI控制，頻率調節則根據誤差通過簡單的兩值切換實現。
在對行波超聲波電機調相調速時，相位差與轉速之間存在死區，為了補償行波超聲波電機運行死區，1998年T．SetDyu采用了自適應死區補償滑模變結構控制，利用滑模變結構控制對轉矩擾動魯棒性好的特點，提高系統在轉矩變化情況下的位置控制精度。控制器結構如圖7所示。
該控制器由自適應補償器和滑模變結構控制器(SM(：)兩部分組成。同時在該控制器中，將參考模型與實際輸出的差e也引入到頻率調節器，利用調頻控制減小位置控制的動態響應時間。
為了提高調相控制系統在寬工作范圍內的非線性控制能力，同年一senlyu構造了帶有狀態觀測器的自適應模型跟蹤控制器0“，控制器結構如圖8所示。為了對死區有效補償，控制器中引
入了轉矩觀測器，將負載轉矩看作對行波超聲波電機的擾動，通過觀測器進行補償。在實際應用中，為了考慮系統的魯棒性，往往采用折中的參數，控制器在大部分情況下選擇次優方式運行，無法達到****效果。
在考慮死區補償的基礎上，為了克服行波超聲波電機的非線性，通過調相方式使電機運行效果趨向****，。2003年工Sell。ivu提出了基于模糊神經網絡(frNN)帶死區補償的位置控制器，控制器結構如圖9所示。控制器由一個常規定參數PI控制器和一個基于模糊神經網絡的補償器組成，PI控制器只需按空載情況下的參數值運行，而由轉矩變化引起的運行死I垤及非線性，則可
以由模糊神經網絡補償器進行有效補償。
為了提高控制器自學習參數的收斂速度，2000年lt．Faa—Jeng提出了利用遞歸神經網絡調整控制參數，控制器結構如圖lO所示。該控制器比前述的利用前向靜態神經元網絡的控制器具有更快的動態響應能力。但控制器的輸出調節量為單一的驅動頻率，因此無法克服行波超聲波電機因轉向改變而造成的轉速抖動，而且隱層權值的調整受到參考模型參數的制約，不利于控制效果的進～步提高。
3結論
超聲波電機是多學科綜合的產物，它涉及到機械制造學、聲學、振動力學、材料學、摩擦學完全基于機理分析的理論模型結構相對復雜，在運行方式、驅動控制方面完全不同于傳統的電磁
電機。現在還沒有很好的解決超聲波電機工作時非線性和時變性，這給電機的應用帶來很大的障礙。因此合理地選取位置控制算法結構，將轉速控制與位置控制緊密結合，充分利用行波超聲波電機轉速控制研究中克服非線性、時變性的成功經驗，可以提高控制精度，簡化位置控制算法，使控制器更加實用。
參考文獻
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