二相行波超聲波電機(jī)的電壓閉環(huán)控制
王海彥， 史敬灼（河南科技大學(xué)，河南洛陽(yáng)471003）
摘要：超聲波電機(jī)( USM1是一種新型微特電機(jī)，運(yùn)行機(jī)理及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、控制方式均不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)。由于制料差異、制造偏差、運(yùn)行溫升及負(fù)載變化等幽素的影啊，使得二相行波USM的二相驅(qū)動(dòng)電壓幅值差異較大，不符合電機(jī)的理想運(yùn)行條件，直接導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能下降、轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字信寸處理器( DSP)的USM二相電壓閉環(huán)控制，使得二相電壓幅值一致并可控，提高了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有利于拓展IUJSM的工業(yè)化應(yīng)用范同。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)：閉環(huán)控制：電壓控制
中圖分類(lèi)號(hào)：TM301.2：TM35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-6540( 2009) 12-0014-03
0引言
起聲波電機(jī)( USM)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間的摩擦作用將定子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的宏觀單方向運(yùn)動(dòng)，從而獲得機(jī)械功率輸出。USM形式多樣，二相行波USM是目前應(yīng)用的主要類(lèi)型。與USM的特殊運(yùn)行機(jī)理相適應(yīng)，其驅(qū)動(dòng)控制方式與傳統(tǒng)電磁電機(jī)有顯著差異。以二相行波USM為例，為保證其合理高效運(yùn)行，二相驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)同頻等幅；且運(yùn)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(shí)際應(yīng)用的USM，由于二相壓電陶瓷材料特性差異、制造偏差、運(yùn)行溫升及負(fù)載變化等因素的影響，使得作用于USM的二相驅(qū)動(dòng)電壓幅值差異顯著，不符合電機(jī)的理想運(yùn)行條件，直接影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電
機(jī)。為提高電機(jī)動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能，減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使電機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行電壓閉環(huán)控制。
本文在基于數(shù)字信號(hào)處理器( DSP)的二相行波USM驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了二相電壓閉環(huán)控制，使得二相電壓幅值一致并可控，提高了電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，有利于拓展USM的工業(yè)化應(yīng)用范同。
1 電壓閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
圖l為開(kāi)環(huán)運(yùn)行情況下的電機(jī)二相驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)測(cè)波形。由圖可見(jiàn)，二相電壓峰峰值分別為222 V和258 V差異較大。試驗(yàn)用電機(jī)為國(guó)產(chǎn)USM60型二相行波USM，諧振頻率為41. 09 kHz�？刂齐娐贰�5】采用電機(jī)控制專(zhuān)用DSP芯片DSP56F801作為主控芯片，H橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)DC 12 V供電。
為實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，首先需要獲取電壓反饋信號(hào)。二相交流驅(qū)動(dòng)電壓經(jīng)電阻分壓、整流成為合適幅值的低壓正值信號(hào)后，由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，乘以一定的比例系數(shù)后作為電壓反饋值傳遞給控制器。DSP56FSOI內(nèi)置的12位ADC模塊有兩個(gè)獨(dú)立的采樣保持電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二相驅(qū)動(dòng)電壓反饋信號(hào)的同時(shí)采樣，以保證控制準(zhǔn)確性。
電壓反饋信號(hào)的精度與準(zhǔn)確性直接影響閉環(huán)控制效果。由于USM驅(qū)動(dòng)電壓幅值和頻率較高，電路中的電壓反饋模擬信號(hào)不可避免地含有干擾噪聲，如圖2所示。如果這些干擾信號(hào)被采樣并作為電壓反饋值作用于控制器，必然導(dǎo)致控制器計(jì)算錯(cuò)誤，進(jìn)而影響閉環(huán)控制的穩(wěn)定性。因此對(duì)電壓反饋信號(hào)應(yīng)采取必要的濾波措施。根據(jù)對(duì)實(shí)際信號(hào)波形數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，本文設(shè)計(jì)了三點(diǎn)滾動(dòng)采樣取中間值的數(shù)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(huán)控制器，如圖3閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖所示�？刂破鞲鶕�(jù)電壓誤差值，給出合適的控制量使實(shí)際電壓趨近于給定值。本文控制電路采用二相H橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，由DSP發(fā)出二相相移脈寬調(diào)制( PWM)信號(hào)分別控制二相H橋電路中MOSFET的通斷狀態(tài)，輸出二相交流驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)電壓幅值的控制可以采用改變PWM信號(hào)占空比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文介紹的電壓控制器的輸出控制量即為相應(yīng)的PWM信號(hào)占空比。
通過(guò)串聯(lián)電感匹配電路的合理設(shè)計(jì)，可以減弱PWM信號(hào)占空比與驅(qū)動(dòng)電壓幅值之間控制關(guān)系的非線性，使之成為近似的線性關(guān)系。因此，本文電壓控制器沒(méi)計(jì)為PI控制器，以簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，提高響應(yīng)速度�？刂朴�(jì)算設(shè)計(jì)為式(1)所示的增量式PI控制算法：  電壓閉環(huán)控制程序流程如圖4所示。 2試驗(yàn)結(jié)果及分析 |
