超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的雙變量復(fù)合控制
史敬灼，王海彥
(河南科技大學(xué)，河南洛陽471003)
摘要：為了得到更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出，設(shè)計(jì)了頻率、電壓雙變量復(fù)合控制器對行波超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。其中頻率控制器完成較大轉(zhuǎn)速誤差的校正，電壓幅值控制則對轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行微調(diào)，有效解決了轉(zhuǎn)速階梯狀跳變、電壓飽和等問題。實(shí)驗(yàn)表明，控制策略有效，轉(zhuǎn)速控制效果良好。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速控制；復(fù)合控制
中圖分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0042—03
0 引 言
超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)是產(chǎn)業(yè)化巾應(yīng)用最多的一種[1]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對行波超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制性能也提出了越來越高的要求。超聲波電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)時(shí)變、耦合非線性嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電路非線性、壓電材料非線性、電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間機(jī)械能摩傳遞非線性等方面[1-3]。如何克服系統(tǒng)有的非線性特征，得到較好的轉(zhuǎn)速控制特性，是超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制研究面臨的核心問題。
對超聲波電動(dòng)機(jī)而言，可用的轉(zhuǎn)速控制變量有驅(qū)動(dòng)電壓幅值、驅(qū)動(dòng)電壓頻率、兩相驅(qū)動(dòng)電壓之間的相位差等三個(gè)。調(diào)節(jié)這三個(gè)可控變量中的任意一個(gè)或多個(gè)，都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制�，F(xiàn)有文獻(xiàn)給出的超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法多采用單一變量控制；由于電機(jī)各個(gè)變量之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，使得這些單變量控制方法難以充分發(fā)揮電機(jī)能力[1-3]。為了得到更好的控制效果，采用多個(gè)可控變量共同實(shí)施控制動(dòng)作的轉(zhuǎn)速復(fù)合控制策略成為必然的研究方向。
本文設(shè)計(jì)了采用頻率與電壓幅值兩個(gè)可控變量的轉(zhuǎn)速復(fù)合控制策略，在基于DSP的實(shí)驗(yàn)裝置[4]上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)表明，控制策略正確，效果良好。
1以頻率為控制變量的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制
超聲波電動(dòng)機(jī)兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位差一般固定為+90。，以保證電機(jī)的合理運(yùn)行狀態(tài)，保持較高的電機(jī)效率指標(biāo)及較好的運(yùn)行穩(wěn)定性，所以通常不采用調(diào)節(jié)相位差的調(diào)速方法。由于具有調(diào)速范圍寬、調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)線性度較好等優(yōu)點(diǎn)，超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制多采用調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓頻率的方法。本節(jié)設(shè)計(jì)以頻率為控制變量的轉(zhuǎn)速PID控制器，控制器傳遞函數(shù)如下：
式中：Kp為比例增益；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。
PID控制器控制參數(shù)直接影響控制效果，必須對控制器參數(shù)進(jìn)行合理整定。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或是時(shí)變，PID控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)需要依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來整定。PID控制器應(yīng)用廣泛，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)總結(jié)出了多種行之有效的PID控制器參數(shù)整定方法。整定方法的選擇應(yīng)以被控對象的控制特性為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)測取超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，曲線近似為S型函數(shù)，因而可將超聲波電動(dòng)機(jī)頻率控制轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)看作如式(2)所示的一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)，并采用zie—gle—Nichol8整定法進(jìn)行控制器參數(shù)整定。
式中：K為系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)；T為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)；r為延遲時(shí)間。
根據(jù)工程整定法計(jì)算得到的控制器參數(shù)作為參數(shù)初值用于實(shí)際控制，并在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)際控制效果再進(jìn)行調(diào)整，最終得到合適的控制器參數(shù)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)兩相端電壓的頻率實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的有效控制。該轉(zhuǎn)速控制器由DsP軟件編程實(shí)現(xiàn)。與電機(jī)同軸剛性連接的500 p／r光電編碼器用來測量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以構(gòu)成反饋，編碼器輸出脈沖串連接至DsP捕獲單元實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。考慮到電機(jī)機(jī)械慣性及光電編碼器精度為500 p／r，程序設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制周期為20 ms。內(nèi)環(huán)為電壓幅值閉環(huán)控制，以保證電機(jī)的合理運(yùn)行狀態(tài)，其控制周期取為1 ms，以適應(yīng)電壓值的較快變化。為了保護(hù)電機(jī)，程序中設(shè)置了電壓幅值限制和超頻保護(hù)功能。
圖1為不同轉(zhuǎn)速給2定值情況下，采用調(diào)頻轉(zhuǎn)速控制，實(shí)驗(yàn)測得的速度階躍響應(yīng)曲線。圖1中，各曲線對應(yīng)的轉(zhuǎn)速給定值，從上到下依次為120 圖1超聲波電動(dòng)機(jī)r／min、110 r／min、100 r／速度閉環(huán)控制特性
min、90 r／min。從圖中可以看出，電機(jī)起動(dòng)之后很快達(dá)到給定值并穩(wěn)定在給定值附近，控制效果較好。 |
