行波超聲波電機(jī)系統(tǒng)效率的變步長優(yōu)化控制
劉博，史敬灼
（河南科技大學(xué)自動(dòng)化系，洛陽471003）
摘要：為實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率****化，該文在保證轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了包含驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的電機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制。并給出了基于開環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性和基于模糊控制的兩種改變驅(qū)動(dòng)電壓幅值調(diào)節(jié)步長的優(yōu)化控制方法，縮短了效率優(yōu)化過程時(shí)間，提高了系統(tǒng)總體運(yùn)行效率，改善了轉(zhuǎn)速}jj環(huán)控制性能。實(shí)驗(yàn)表明了所提方法的有效性。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；系統(tǒng)效率；優(yōu)化控制
中圖分類號(hào). tm359. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 07-0025-04
o引 言
超聲波電機(jī)雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電磁電機(jī)[2-3]。且目前超聲波電機(jī)的主要應(yīng)用場合均為有限能源供電場合，效率問題是超聲波電機(jī)能否在相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。因而，如何提高效率已成為超聲波電機(jī)領(lǐng)域必須研究解決的關(guān)鍵問題之一。
本文在研究超聲波電機(jī)系統(tǒng)效率控制特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超聲波電機(jī)系統(tǒng)效率在線優(yōu)化控制，給出了基于開環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性和基于模糊控制的兩種變步長效率優(yōu)化控制算法，縮短了效率優(yōu)化過程時(shí)間，使系統(tǒng)總體運(yùn)行效率得到提高。
1超聲波電機(jī)系統(tǒng)效率與驅(qū)動(dòng)電壓幅值的關(guān)系
超聲波電機(jī)系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制，需要能夠表征電機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前效率狀況的反饋。因輸出機(jī)械功率不易直接測量，所以電機(jī)系統(tǒng)的效率反饋通常采用間接方式。若驅(qū)動(dòng)電路輸入電源電壓恒定，則電路輸人電流的變化就反映了電機(jī)系統(tǒng)在當(dāng)前負(fù)載情況下的效率變化，且兩者之間成反比例關(guān)系；減小輸入電流即可降低電機(jī)系統(tǒng)輸入功率，亦即提高超聲波電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。所以，可以根據(jù)輸入電流幅值的變化來判斷電機(jī)系統(tǒng)的效率是否提高。
本文研究采用調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓幅值的方法，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)系統(tǒng)效率在線優(yōu)化控制。為此，設(shè)計(jì)了圖1所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)+效率優(yōu)化的控制系統(tǒng)。圖示系統(tǒng)采用基于相移pwm的h橋驅(qū)動(dòng)電路m1，系統(tǒng)的控制過程為，電機(jī)在極點(diǎn)配置轉(zhuǎn)速控制器控制下，由零速開始調(diào)頻啟動(dòng)；啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值給定值uref的初值uref(0)= 300 v。當(dāng)啟動(dòng)過程結(jié)束、轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，效率優(yōu)化控制器開始調(diào)節(jié)，進(jìn)行效率優(yōu)化控制；效率優(yōu)化控制過程中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制依然調(diào)節(jié)頻率以保持轉(zhuǎn)速控制性能。效率優(yōu)化控制器根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻輸入電流反饋?zhàn)兓喀膇（k），確定uref的調(diào)節(jié)方向（增加或減�。�。例如，若δi (k)<0，即輸入電流正在減小，則維持k-l時(shí)刻的uref調(diào)節(jié)方向不變，繼續(xù)按照給定的步長（一次調(diào)節(jié)的變化量）增加或減��；反之，則改變調(diào)節(jié)方向。控制過程中，步長始終保持不變，故可稱之為定步長效率優(yōu)化控制。
圖2給出了轉(zhuǎn)速給定值nrd =30 r.min-l，設(shè)定uref調(diào)節(jié)步長為1v時(shí)的效率優(yōu)化過程實(shí)測曲線。由圖2可知，可以通過uref，一直減小來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效率優(yōu)化。但是由圖2也可看出，對應(yīng)于uref不斷減小的調(diào)節(jié)過程，轉(zhuǎn)速偏差明顯大于無uref；調(diào)節(jié)的時(shí)段。這表明，作為一種外加擾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值的改變影響了轉(zhuǎn)速控制效果。
2 系統(tǒng)效率的變步長優(yōu)化控制
前述效率優(yōu)化控制采用固定降壓步長的優(yōu)化方式。在這種定步長效率優(yōu)化控制中，若降壓步長增大，則uref下降速率加快，效率優(yōu)化過程時(shí)間縮短，可以使系統(tǒng)的總體運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提高。但由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，若增加步長使得uref的下降速度過快，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速大幅下降，甚至導(dǎo)致電機(jī)突然停轉(zhuǎn)。這表四固定的降壓步長值存在上限；且實(shí)驗(yàn)流）變化與電壓幅值調(diào)節(jié)之間的關(guān)系，這一關(guān)系是設(shè)計(jì)效率優(yōu)化控制的前提和基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電壓幅值范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)電壓幅值一輸入電流變化曲線的拐點(diǎn)，即曲線具有單調(diào)下降性，驅(qū)動(dòng)電壓幅值越低，輸入電流越小，系統(tǒng)效率越高。因此，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制，只需在驅(qū)動(dòng)電壓的可調(diào)范圍內(nèi)一直降壓，直到降至驅(qū)動(dòng)電壓下限值，此時(shí)系統(tǒng)的直流輸入電流達(dá)到最小值，就實(shí) |
