两相行波超声波电动机低频PwM控制策略比较研究
     摘要：由于包含压电能量转换、摩擦能量传递等过程，超声波电动机非线性及内部多变量耦合较为严重，其高性能运动控制策略仍有待深入探求。应用于超声波电动机的低频PwM控制策略能够简化多变量控制路径在线优化过程，有可能成为实现超声波电动机高性能运动控制的有效手段，但目前对于该类控制策略尚无细致研究。从多个方面分析、比较了三种低频PwM控制策略的异同及控制效果，给出了控制策略选用与设计原则，有助于该类方法的深入研究与应用.
　　关键词：超声波电动机；控制策略；低频PwM控制中国分类号：_rM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0006—03
   0引  言
    超声波电动机运行机理完全不同于传统的电磁电动机，它利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能的转化，并通过定、转子间的摩擦作用将定子的微观振动转化为转子的宏观单方向运动，从而获得机械功率输出。由于包含压电能量转换、摩擦能量传递等过程，超声波电动机非线性及内部多变量耦合较为严重，合理、有效的运动控制策略是目前该领域研究的热点。
　　几乎所有应用于电磁电机的控制方法，都已在超声波电动机研究中进行了有益的尝试。但由于超声波电动机运行机理的复杂性及控制用数学模型研究的滞后，超声波电动机运动控制的潜能还没有得到充分发挥，关于超声波电动机运动控制策略的研究仍有待深入探求。目前，各类超声波电动机结构、运行机理研究的不断深入、细化，对电机本体的认识小断完善，使其运动控制策略研究逐渐具备了较为坚实的基础。
　　随着研究的深入，超声波电动机运动控制已向着充分利用控制自由度、实现性能优化控制的方同发展～，其在线控制过程是根据某一优化目标(例如效率****)及约束条件，在由频率、幅值、相位三个可控输入变量形成的控制空间中动态选取****工作点及路径的过程。变量耦合及电机时变特性使得这一自适应控制过程复杂化。现有控制策略通常进行简化处理，多采用单变量控制或二变量复合控制方法。
　　低频PwM控制策略。提供了一种新颖的简化思路，它不是通过改变电机输入电压的频率、幅值、相位来实现转速控制目的，而是通过控制电机输人电压的通、断或是切换来控制电机转速。这样就将转速控制与实现性能优化的动态寻优分离开来．能够简化多变量控制路径在线优化过程，有可能成为实现超声波电动机高性能运动控制的有效手段目前，虽然已提出了三种应用于超声波电动机的低频PwM控制方法，但是，对这三种控制方法尚无细致研究，设计中无法确定哪种方法比较台适，控制效果也不明确。本文分析了低频PwM控制的原理，在基于DsP和c PI_D的两相行波超声渡电动机驱动控制实验平台上实现了三种低频PWM控制策略，并从多方面分析、比较了三种策略的异同　　及控制效果，给出了策略选用原则，有助于该类控制方法的深入研究与应用。
　　1三种低频PwM控制策略
    超声波电动机形式多样，两相行波超声波电动机是目前应用的主要品种。两相行波超声波电动机需要两相高频(一般为20～1()(]kHz)驱动电压。低频PwM控制的思想是，用频率低于驱动电压频率的PwM信号对驱动电压进行调制，使电机输入端的驱动电压处于通、断或是切换控制中。最基本的低频PwM控制是通断(0N／OFF)PwM控制，它使驱动电压时断时续，如图l所示。当电机受到驱动电压激励时，电机接受电能并将其转换为机械能输出；当驱动电压被切断时，电机依靠电机转子的机械惯性及压电陶瓷的压电惯性维持转子旋转。改变通断PwM控制信号的占空比，就可以实现转速调节。

　　图2给出了另一种低频PwM控制方式，即正反转(F／B)PwM控制。。它在低频PwM控制信号为高电平耐，输出驱动电机正向旋转的电压；当PwM控制信号为低电平时，输出切换为驱动电机反向旋转的电压。显然，改变PwM控制信号的占空比可以调节转速，而且易于实现电机正反转的平滑切换。占空比50％对应于电机转速为零。

　　第三种低频PwM控制方式是上述两种方法的结合，其PwM控制信号如图3所示。

　　在一个PwM控制周期中包含了输出正转电压、反转电压及零电压的四个时间段，其中，零电压时间长度固定，调节输出正转电压、反转电压的时问长度来实现控制。这种方式称为正反转停(F／B／s)PwM控制方式。
　　2三种低频PwM控制策略的比较
    作者在基于DsP和cPLD的两相行波超声波电动机驱动控制实验平台上实现了上述三种低频PwM控制策略，并进行了对比研究。实验用电机为usR30型两相行波超声波电动机，谐振频率49 kHZ驱动电路采用两相推挽式结构，12 V(Dc)供电。
　　2 1电机定子行波振动状况对比
    实验用电机定子表面粘贴有孤极陶瓷片，用以提供表征电机定子表面行波振动状况的孤极反馈电压信号。定子表面行波振动是压电能量转换的结果，也是转子旋转运动的驱动源，能够反映电机工作状态的好坏.
　　图4给出了采用通断PwM控制策略的PwM控制信号、电机驱动电压和孤极反馈电压实测波形。其它两种策略的波形类似，限于篇幅不再给出。

　　由图4可以看出，在低频PwM控制作用下，驱动电压状态的改变导致电机定子行波振动状况的改变，进而会引起电机输出力矩及转速的变化：但行波振动状况的改变不是在驱动电压状态改变的时刻瞬间完成的，而是表现为一个惯性变化过程：定子行波振动的周期性暂态变化使定、转子之间的摩擦接触状况与行波稳定时的稳态接触状况不同．影响定、转子之间的机械能传递过程。带来与PWM控制频率相关的转矩波动.PWM控制信号频率不同、占空比不同，定、转子之间质点接触状况可能不同，电机转速、机械能传递效率都会发生变化。
　　既然行波振动状况的改变表现为一个惯性过程，如果缩短驱动电压通断(或切换)的时间间隔，亦即增大低频PWM控制信号频率，应该可以减小行波振动的变化幅度，直至变化不明显。基于这一认识，上述惯性过程的时间常数可以为PwM频率的选择提供参考。根据图4中孤极反馈电压的包络线形状，可得这一惯性环节的时间常数约为0 2ms。图5给出了通断PwM控制信号频率为20 kHz时的实测波形，图中孤极反馈电压幅值在驱动电压通断控制过程中基本维持不变，且该幅值(表征定子表面行波振幅)随着通断PwM控制信号占空比的增大而增大，如图6所示。

　　2 2电机转速控制特性对比
    采用低频PwM控制策略构成电机转速闭环控制，转速的控制是通过调节PwM控制信号占空比来实现的。PwM控制信号占空比与转速之间的控制关系是线性的还是非线性的，表现为何种非线性，是设计转速控制器时必须了解的信息。
　　图7给出了不同低频PwM频率情况下的通断PwM转速控制特性。图7的特性曲线均表现出一定的非线性，其中PwM频率为O．8 kHz时的特性曲线线性度****，有利于简化转速控制器的设计。

当频率减小至O 6 kHz或增加时，线性度均变差，PwM频率为l～1 5 kHz时的特性曲线变化不明显。而当PwM频率增至2 kHz时，转速在占空比达到O．85之前变化缓慢，而在占空比达到O 85附近出现跳跃，这不利于转速控制动态性能的提高。当PwM频率增至20 kHz时，占空比等于O．65时电机转速就已近似为零，占空比可调范围显著减小。

　　正反转和正反转停(停止占空比20％)PwM方法的转速控制特性，如图8所示。两种方法控制特性的共同特征是正、反转特性不对称，这与超声波电动机开环转速特性的正、反转不对称是一致的。正反转PwM方法在零速(占空比50％)附近的控制线性度较好；随着占空比增大，转速变化率逐渐增大，这与通断PwM是一致的。正反转停PwM转速控制特性曲线线性度变化与正反转PwM情况相似。
　　但是，相同占空比对应的转速明显低于正反转及运断PwM，转速调节范围也较小。
　　由图7、图8还可看出，通断PwM在占空比0％附近存在控制死区，电机转速在占空比10％左右就已降为零；而另两种方法在零速(分别对应于占空比50％、40％)附近无控制死区，易于实现正、反转的平滑过渡。众所周知，因为施加有预紧力，超声渡电动机具有较大的静止保持力矩，电机力矩必须增大到一定程度才能使电机起动，这也是通断Pw、I存在控制死区的原因。采用正反转PwM方法．PwM控制信号占空比为50％时，电机转速为零：
　　此时，电机转速虽然为零，但电机转子在每个低频PwM控制周期内都交替受到正转、反转力矩的激动励，定转子之间处于滑动摩擦状态；理论上可以使电机的保持力矩为零，于是电机易于零速起动。正反转停PwM方法可以通过调整停止时间比例的大小来获取需要的保持力矩，以适应不同的应用场合。
　　当提高正反转和正反转停策略的PwM频率．使行波振幅变化不明显时，由于电机定子表面行渡在每个低频PwM控制周期内维持一种驱动方式(正转或反转)不变，因而，电机转子也就只受到正转或反转力矩的激励；于是，这两种控制方法就失去了能够调节保持力矩的功能。由此可知，如果希望利用这一功能，正反转和正反转停策略的PwM频率应较低。实验表明，对于实验电机，应不大于2 kH7
    2 3电机输入功率特性对比
    超声波电动机虽有诸多优点，但超声波电动机运动控制的机电能量转换效率显著低于传统电磁电机。随着超声波电动机驱动控制及应用技术研究的不断深入，低效率已成为制约超声波电动机广泛应用用的主要问题之一；因而，如何提高超声波电动机的能量转换效率已成为研究热点，控制策略研究是其中的一个重要方面。
　　在相同的电机输出机械功率条件下，输入功率越大，电机的能量转换效率越低。上述三种低频PwM控制方法中，正反转方法同时包含正转和反转驱动电压激励，其中必有一种激励与电机实际转向相反，使得电机输入功率增大，效率降低。正反转停方法是通断与正反转两种方法的结合，其效率值也应是位于这两种方法之间。图9给出了三种低频PwM控制方法的电机输入有功功率对比，与上述分析一致。

实验表明，采用通断PwM控制方式，输入有功功率低于不使用低频PwM控制的情况；且随着PwM控制频率增大，电机输入有功功率在低速和高速区段逐渐增大，在中速区段逐渐减小。采用正反转PwM控制时，电机输入有功功率高于不使用低频PwM控制的情况；且随着PwM控制频率增大，电机输入有功功率逐渐减小。
　　3结论
   针对两相行波超声波电动机的高性能运动控制需求，从多个方面比较了三种低频PwM控制策略的异同及控制效果，得出如下结论：
　　(1)低频PwM控制策略可以在不调节电机驱动电压的频率、幅值、相位的前提下，实现方便、有效的转速控制；(2)对三种低频PwM控制策略的比较表明，通断PwM方法的综合性能较好。如果应用场合强调零速平滑起动或要求保持力矩可控，可采用正反转或正反转停PwM方法；(3)低频PwM控制信号频率是该类控制策略的一个重要参数。频率较高，可以改善电机定子表面行波振动的平稳性，也有可能加快闭环控制的响应速度。但频率增加到一定程度，转速控制特性出现跳跃，不利于转速控制动态性能的提高。当该频率高于电机驱动电压频率的1／2时，低频PwM控制占空比调节范围显著降低：根据具体的电机特性及控制性能要求，一般应选择较小的低频PwM控制频率，使之不高于电机驱动电压频率的1／lO。对于正反转或正反转停PwM方法，如果希望保持力矩可调，其PwM频率应不高于电机驱动电压频率的1／20。
　　参考文献11]  陈永校郭吉丰超声波电机【M]杭州：浙江大学出版社1994[2】赵淳生超声电机技术与应用[M一北京科学出版社．2007作者简介：史敬灼(1974)，男，博士，教授，主要研究领域为电机控制。