行波超聲波電機(jī)單神經(jīng)元自適應(yīng)控制
張春陽，史敬灼，王龍帥
（河南科技大學(xué)自動化系，洛陽471003）
摘要：由于超聲波電機(jī)具有非線性、時變性、強(qiáng)耦合等特點，增加了它的控制難度，采用pid等常規(guī)控制方法難以滿足較高精度的控制需求。單神經(jīng)元作為一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形式，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且易于實現(xiàn)。設(shè)計了基于低頻pwm方法的單神經(jīng)元自適應(yīng)pid轉(zhuǎn)速控制策略，構(gòu)建了超聲波電機(jī)自適應(yīng)閉環(huán)控制裝置。在一定程度上解決傳統(tǒng)pid調(diào)節(jié)器不易在線實時整定參數(shù)、難于對復(fù)雜控制對象進(jìn)行有效控制的不足。實驗證明，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；單神經(jīng)元；自適應(yīng)控制；低頻pwm
中圈分類號：tm359.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：100l-6848（2,010）02-0044-03
0引 言
超聲波電機(jī)( usm)是一種新型微特電機(jī)，由于其不同于傳統(tǒng)電機(jī)的諸多特點，使其在非連續(xù)運動及精密運動控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。超聲波電機(jī)是由兩相幅值相等、相位差一般為90度的高頻正弦電壓驅(qū)動的。驅(qū)動控制單元的性能直接影響超聲波電機(jī)的性能，模糊、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法。均已應(yīng)用于超聲波電機(jī)控制。
低頻pwm控制方式是超聲波電機(jī)控制的一稀新思路。它不是通過改變電機(jī)輸入電壓的頻率、幅值、相位來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控翹目的，而是采用驅(qū)動電壓的通斷控制，能夠簡化電機(jī)控制過程的非線性關(guān)系。本文采用這種控制方式，實現(xiàn)了超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。由于超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入控制量具有非線性關(guān)系和時變性，采用傳統(tǒng)pid控制不能取得很好的控制效果。單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且結(jié)構(gòu)簡單、易于在線實現(xiàn)。傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器也具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便等特點，但不易在線實時整定參數(shù)。本文采用單神經(jīng)元自適應(yīng)pid控制算法，把兩種控制策略的優(yōu)點結(jié)合起來設(shè)計了超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置，提高了系統(tǒng)自適應(yīng)能力，改善了控制效果。
1驅(qū)動控制系統(tǒng)
本文根據(jù)超聲波電機(jī)的驅(qū)動要求，設(shè)計了一種基于直接數(shù)字合成技術(shù)( dds)的超聲波電機(jī)驅(qū)動控制器。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以dsp為核心的控制單元主要實現(xiàn)控制、計算和數(shù)據(jù)的采集功能；以cpld為核心的執(zhí)行單元作為信號發(fā)生器，根據(jù)dsp的傳送的指令或數(shù)據(jù)，產(chǎn)生超聲波電機(jī)行波超聲波電機(jī)單神經(jīng)元自適應(yīng)控制張春陽，等所需的pwm信號；而驅(qū)動單元實現(xiàn)把四路對稱pwm信號作用于兩相推挽逆變電路及匹配電路，輸出具有一定幅值、頻率和相位差的兩相正弦電壓驅(qū)動超聲波電機(jī)。cpld內(nèi)設(shè)計了spi通訊端口，dds信號發(fā)生器的頻率、相位、幅值控制字通過dsp的spi端口進(jìn)行通訊，并利用dsp的兩位通用gpio口作為dds頻率、相位差、幅值控制字的選擇端，來識別傳送控制字的類型。
圖2給出了基于dds的對稱pwm信號發(fā)生單元的原理圖。通過設(shè)置dsp的pwm模塊模值寄存器pwmcm和計數(shù)值寄存器pwmval，把dsp產(chǎn)生的低頻pwm信號接至pwm，與對稱pwm信號稆與，即可實現(xiàn)低頻pwm通斷控制。
圖3、圖4分別給出了該驅(qū)動控制系統(tǒng)的頻率一轉(zhuǎn)速、低頻pwm占空比一轉(zhuǎn)速特性曲線。
2單神經(jīng)元自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)增量式pi調(diào)節(jié)器的算法為
對于傳統(tǒng)的pi或者pid調(diào)節(jié)器，其參數(shù)在初始化時已經(jīng)設(shè)置好，不便于在線修政，因此當(dāng)控制對象發(fā)生變化時，就不能對控制對象進(jìn)行很好的跟蹤。本文采用單神經(jīng)元自適應(yīng)算法來實現(xiàn)pid參數(shù)的在線調(diào)整，可以使pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)隨被控對象的變化而變化。這是由于神經(jīng)元具有自學(xué)習(xí)功髓，在運行中可以根據(jù)被控對象的變化，對神經(jīng)元的權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，使得pid控制器具有自適應(yīng)功能。
單神經(jīng)元自適應(yīng)pid結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中yr(k)和y(k)分別為控制 |
