基于DSP双模控制的超声波电动机电源
王续宇，庄圣贤
(西南交通大学，四川成都610031)
摘要：从超声波电动机对驱动电源的要求出发，提出了一种基于DSP的PID FUZZY双模控制方法，并给出了与之对应的超声波电动机电源的设计思路及其详细电路。试验表明，该方法辨识能力强、稳态精度好，具有较大的应用价值和推广价值。
关键词：超声波电动机；DSP；PID—FUZZY；双模控制
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)05—0043—03
0引言
由于超声波电动机随着温度、电源电压、负载转矩和定转子之间静压力等外界条件的变化，压电陶瓷的谐振频率会发生漂移，系统呈现高度非线性。电机为特殊的两相式结构，两相之间存在机电参数及机电耦合效应的不平衡性等原因，使得超声波电动机形成一个复杂的多变量、强耦合的时变系统，因此不能够用精确的数学模型完全表达超声波电动机动态和稳态特性，对超声波电动机电源及其控制方法的研究都造成一定的难度。基于此，本文从超声波电动机对驱动电源的要求出发，提出了一种基于DSP的双模控制方法，并给出了与之对应的超声波电动机电源的设计思路。试验表明，该方法辨识能力强、稳态精度好，具有很大的应用和推广价值。
1超声波电动机对驱动电源的要求
超声波电动机的主要工作特点是给其施加两相相位互差一定角度的交流电压，利用压电陶瓷的逆压电效应，使压电陶瓷发生谐振并带动定子环一起振动，再通过定、转子之间的摩擦力驱动转子旋转或滑块直线运动。在电激励下，超声波电动机定子表面形成周向行波或驻波。在波峰处，质点切向运动速度V可由下式表示[1]：
式中：ω——超声波振动的角频率；
θ——两路输入信号的相位差；
B、A——分别为两路输入信号的振幅；
k——周向行波的波数，由压电陶瓷的极化区域的分布情况确定。
由上式可以看出，波峰处的速度控制可以通过振幅比B／A，相位差θ，驱动频率f(f，ω/2π)来实现。因此超声波电动机首先必须能够准确并迅速地测出超声波的谐振频率(谐振点不止一个)、所需两相交流电压的相位差、两相交流电压的峰值，进而根据系统要求进行转速调节。
对于超声波电动机的两组通以互差一定相移的交流电，且当该相位差为某一角度时输出转矩达到****值。对行波型两个激励源要求相差π/2，但对驻波型超声波电动机而言(特别是纵扭复合型)，由于纵扭振子在夹心定子中的位置不同，纵扭振动传播速度不同，很难通过计算得到纵扭振子驱动信号相位，以保证定子表面质点纵扭振动所需的相位差，只能通过测试方法得到，所以超声波电源的两路输出驱动信号应能够在0～180。范围内连续可调。
由于超声波电动机是在谐振状态下工作的，不同的超声波电动机，其谐振频率不同。即使是同一超声波电动机，谐振点也不止一个；另一方面，随着温度的变化，其谐振频率本身也会跟着变化。一般超声波电动机的谐振频率在20～100 kHz之间，故超声波电动机电源的频率输出要求20～100kHz，且两相连续可调。
另外，从定转子接触面的角度分析，两路驱动电压必须可调节。
纵上所述，超声波电动机对驱动电源的要求如下：
(1)两路驱动信号相位O～180。连续可调；
(2)两路驱动信号可反向调节，以改变转向；
(3)频率输出20～100 kHz内可调；
(4)因驱动对象超声波电动机为容性负载，故要实现阻抗匹配；
(5)具有频率、相位自动跟踪功能；
(6)两路驱动电压可调。
2基于DsP双模控制的超声波电动机电源
2.1系统框图
系统组成基本框图如图1所示。
检测环节包括速度检测、电压和电流检测几方面。速度检测采用光电编码器，本文采用长春第一光学仪器厂生产的LFA-500A-18000小型高脉冲光电编码器。它具有体积小、力矩小、可靠性高、寿命长等优点。5V电源，一周输出18 000个脉冲。采用M／T法测量。电压检测和电流检测从主回路得到，其一般用作过流检测和过压检测，也用作电流和电压值的测量。超声波电动机有两种，一种有s端(sTATus)，尤其可测出振动状态的变化情况，从而得到其****谐振点。另一种元5端，因谐振点的回路电压和回路电流的特别性，我们可通过电压检测和电流检测值得到其谐振点。
控制板是整个系统控制、保护的核心。
2．2控制系统设计
控制系统构成如图2所示。图2中，输出回路电压信号和电流信号经过外部处理电路进行滤波、整形、隔离处理，一路进入到A／D转换器。A／D转换器采用ADS7864芯片，其为一12位的转换器，由图4--中央处理器TMS320F243控制转换器的开始、转换输出和转换模式，A／D转换结果存人到HFO芯片中。振动信号s直接经过外部处理电路进行滤波、整形、隔离处理，进入到A／D转换器。对由光电编码器输出信号的脉冲信号，经HcTL2032芯片滤波、倍频后，将计数结果以二进制形成从总线输出至DsP，以提高超声波电动机及其系统的定位精度。
系统工作时，DsP利用频率、相位自动跟踪技术对功率进行自动调节[2]，DsP输出频率信号由数据总线输出至D／A转换器DAc0832，D／A转换器以电压形式表示了输出频率的大小，其输出电压与DsP输出频率成正比，因我们需要的是频率信号，故采用了一个差频式压频变换器，由cPLD接受差频压频变换器的输出信号，完成两相频率控制信号。
移相由cPLD完成，cPLD中设置两计数器。一个以正常方式计数并形成一相电源的控制信号，另一个计数器按移相要求角度在前一控制信号的基础上产生相移，以产生另一相的控制信号。但两控制信号的频率由差频压频变换器的输出信号决定。因为产生相移的困难性，考虑到超声波电动机电源要求频率范围从20～100 kHz内可调，所以本文采用频率放大的原理。在差频压频变换器内将20～100kHz的频率同乘360，可得频率范围为7.2～36MHz，内部设有两个振荡器，一个为固定l00MHz的振荡器，另一个为107．2～136 MHz(考虑到温度对谐振频率的影响，采用105～140 MHz)。这样，以正常方式计数并形成一相电源的控制信号的计数方式为每计360电平变化一次，另一个按移相要求角度在前一控制信号的基础上产生相移的计数方式，可按滞后移相角度乘2的关系计数实现相移。
由cPLD产生的脉冲信号经光耦隔离后进入极性变化器。它将当极性信号变成了双极性信号，最后经两路推挽功率电路输出。
2．3基于DSP的双模(PID—FuzzY)控制
根据前面的描述可知，系统需对频率、相位和速度均实现闭环控制，但由于超声波电动机的非线性特性，且参数时变，因此很难建立精确的数学模型。
常规的PID(比例、积分、微分调节器)是过程控制中应用****泛、最基本的一种控制器，消除稳态误差的能力强，控制精度高，然而常规PID控制器对于非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统不能很好的控制，其PID参数不是整定非常困难，就是根本就无法整定，因而得不到预期的效果[3]。模糊控制器(FuzzY)是以误差和误差变化作为输入量，因此具有模糊比例-微分控制作用，但这种模糊控制系统的稳定性能也不能令人满意；另一方面要提高模糊控制器的精度和跟踪性能，就必须对语言变量取更多的语言值，即分档越多，性能越好，但同时带来的缺点是规则数和系统的计算量也大大增加，以致模糊控制规则更难把握，调试更加困难或者不能满足实时控制的要求[4]。针对以上情况，本文将PID调节器和模糊控制器的优点结合起来，建立基于DSP的PID-FuZZY双模控制方式，这种控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制，小偏差范围内转换成PID控制。
基于DsP的双模(PI-FuZZ5)控制框图如图3所示。图中，Ym(k)为给定速度，Y(k)为实际速度，
速度偏差量e(k)=Ym(k)-Y(k)，速度偏差量的变
4结语
从试验结果来看，本超声波电源设计合理，运行可靠。当采用常规的PID控制时，超调量大，过渡时间长。采用模糊控制时，动态响应过程较常规算法要快，但在稳态情况下稳态误差较大，当环境等参数发生变化时，系统稳定。采用PID—FuZZY双模控制时，系统无超调，稳态误差为零，过渡过程短，在受到扰动时控制品质变化不大，其主要原因是：对被控对象的不同时期采用不同的控制算法，所以系统既具有良好的稳态性能，又具有模糊控制良好的动态性能及鲁棒性强的特点。另外。量化因子的大小直接关系着PID模糊控制的系统特性。化量e(k)=e(k)-e(k-1)，u为控制量(速度调节器上的电压)。
但是模糊控制器的控制规则一经确定，则在整个控制过程中就不会改变，所以难以克服电机速度特性变化对控制性能的影响。针对这种情况，本文在模糊控制器的基础上，加上一个自校正环节，采用****偏差时间积分(ITAE)作为性能指标，在系统控制过程中，通过修正因子a、b的在线自寻优来优化模糊控制器。实现对控制规则的自调整，达到提高控制系统品质的目的。
3试验结果
为验证电路设计的合理性和P1D—FuZZY双模控制器的控制效果，对某研究所研制的55CS01型超声波电动机进行了测试。图4为单独采用常规PID的阶跃响应曲线，图5为采用单独模糊控制相应阶跃曲线；图6为采用PID—Fuzz5双模控制器控制算法相应曲线。
总之，基于DSP的PID—FuZZY双模控制超声波电动机电源能够良好地控制超声波电动机，系统精度高，动态性能好，稳态性能高，具有较大的实用价值。
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