基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的行波超聲波電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制
張慧敏，王海彥，史敬灼
(河南科技大學(xué)，河南洛陽(yáng)471003)
摘要：由于行波超聲波電動(dòng)機(jī)特殊的運(yùn)行機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其難以高轉(zhuǎn)速直接起動(dòng)。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速控制器，以實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速給定值的起動(dòng)要求，充分發(fā)揮電機(jī)能力。實(shí)驗(yàn)表明，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)快速準(zhǔn)確，控制算法有效、可靠。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；起動(dòng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)
中圖分類號(hào)：tm1383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004一7018(2010)04—0042—03
o引 言
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)行波超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制也提出了越來(lái)越高的性能要求[1]。兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的頻率、幅值和(或)相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。由于電機(jī)內(nèi)部壓電陶瓷材料的非線性及定轉(zhuǎn)子接觸表面的力學(xué)特性，使得行波超聲波電動(dòng)機(jī)難以高轉(zhuǎn)速直接起動(dòng)[1-2]。
以常用的調(diào)頻調(diào)速為例，通常需要控制電機(jī)低速直接起動(dòng)，然后調(diào)節(jié)頻率，使轉(zhuǎn)速緩慢升高至給定值。這類似于同步電動(dòng)機(jī)牽人同步的過程，但超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與其驅(qū)動(dòng)電壓頻率之間的關(guān)系存在較為嚴(yán)重的非線性，不同于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率之間的簡(jiǎn)單比例關(guān)系[3]，且頻率與電壓幅值等可控變量之間存在耦合關(guān)系，從而使得這一高轉(zhuǎn)速起動(dòng)過程不易實(shí)現(xiàn)迅速、準(zhǔn)確的目標(biāo)。
本文設(shè)計(jì)了參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器．以實(shí)現(xiàn)兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制效果良好。
1超聲波電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速起動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析
本文實(shí)驗(yàn)用電機(jī)為shinsei usr60型兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)閉環(huán)控制采用調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓頻率的實(shí)現(xiàn)方式。用于進(jìn)行高轉(zhuǎn)速起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的控制裝置[4]。結(jié)構(gòu)如圖l所示，控制功能由dsp編程實(shí)現(xiàn)。圖中，旋轉(zhuǎn)編碼器e與電機(jī)同軸剛性連接，用于給出轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。兩相驅(qū)動(dòng)電壓閉環(huán)控制在保證兩相電壓幅值一致的同時(shí)，控制電壓幅值為給定值，從而消除了開環(huán)狀態(tài)下電壓幅值隨頻率調(diào)節(jié)而變化的現(xiàn)象，解除了頻率調(diào)節(jié)與電壓幅值之間的控制量耦合關(guān)系，改善了通過調(diào)頻進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的性能。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值較高時(shí)，起動(dòng)控制過程為：轉(zhuǎn)速控制器在控制起始時(shí)刻設(shè)置輸出控制量(頻率值)為初始值f0，該頻率值對(duì)應(yīng)于電機(jī)能夠直接起動(dòng)的較低轉(zhuǎn)速值。電機(jī)在頻率為f0的驅(qū)動(dòng)電壓作用下，由零速逐步起動(dòng)，轉(zhuǎn)速pi控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差調(diào)節(jié)頻率值，使轉(zhuǎn)速逐漸升高，趨于給定值。
實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)上電施加驅(qū)動(dòng)電壓后并不立即開始旋轉(zhuǎn)，而是經(jīng)過一段延時(shí)后才開始轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2為實(shí)測(cè)的電機(jī)起動(dòng)過程端電壓及孤極反饋電壓幅值波形。上電后，電機(jī)端電壓幅值有個(gè)動(dòng)態(tài)上升過程，這一電壓變化過程主要源于電機(jī)定子壓電材料在電壓激勵(lì)下的特性動(dòng)態(tài)變化，也與驅(qū)動(dòng)電路變壓器、匹配電感的能量存儲(chǔ)過程有關(guān)。隨著電壓幅值增大，表征電機(jī)定子行波振幅的孤極反饋電壓幅值逐漸增大。由于預(yù)緊力使電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸表面存在較大的靜摩擦力，定子行波振幅增大到某一閾值之后，電機(jī)才會(huì)開始旋轉(zhuǎn)。圖2中圖。的t0時(shí)刻，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)�？紤]轉(zhuǎn)速控制器的控制過程，若上電后轉(zhuǎn)速控制器立即開始產(chǎn)生控制作用，則在t0時(shí)刻之前，由于轉(zhuǎn)速為零，控制器將達(dá)到積分飽和狀態(tài)，輸出頻率給定值遠(yuǎn)離能夠使電機(jī)起動(dòng)的初始值五，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法起動(dòng)。所以將轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)為上電后輸出頻率給定值f0并維持不變，等待旋轉(zhuǎn)編碼器第一個(gè)反饋脈沖(上升或是下降沿)到來(lái)，即電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)后，控制器開始產(chǎn)生控制作用，按照pi控制規(guī)律調(diào)節(jié)頻率。
起動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速的控制是通過調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)的。顯然，在升速過程中頻率調(diào)節(jié)的變化率越大，起動(dòng)過程所需時(shí)間越短。實(shí)驗(yàn)中，采用固定pl控制器中的比例系數(shù)kp、調(diào)節(jié)積分系數(shù)kl的方法來(lái)改變頻率調(diào)節(jié)的變化率。實(shí)驗(yàn)表明，相同轉(zhuǎn)速給定值情況下，增大ki，電機(jī)起動(dòng)過程加快；但是若k1過大，使頻率變化過快，將導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，不能起動(dòng)。對(duì)于不同轉(zhuǎn)速給定值，尋找能夠使電機(jī)最快平穩(wěn)起動(dòng)的k1值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3中數(shù)據(jù)點(diǎn)(小方塊)所示。數(shù)據(jù)表明，隨著轉(zhuǎn)速給定值增大，合適的
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