安國慶 安孟宇 楊少銳 劉慶瑞 李爭

摘要：為了解決溫度和負(fù)載的變化容易引起超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以及基于轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制因轉(zhuǎn)速傳感器安裝體積和成本在某些特種場合應(yīng)用受限的問題，提出一種基于相位差信息反饋的頻率閉環(huán)控制方法：首先，根據(jù)電機(jī)各類相位差對(duì)溫度和負(fù)載變化的敏感程度，優(yōu)化選擇了相位差反饋量的類型;其次，針對(duì)系統(tǒng)機(jī)械噪聲以及驅(qū)動(dòng)器諧波對(duì)相位差計(jì)算結(jié)果的影響，利用改進(jìn)的相關(guān)性相位提取方法準(zhǔn)確提取驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓的基頻相位差信息;最后，分別就超聲電機(jī)運(yùn)行過程中溫度和負(fù)載變化的情況，給出了相應(yīng)的頻率閉環(huán)控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法能有效降低溫度以及負(fù)載變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，可提升電機(jī)所在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。由于其只需采樣兩路電壓信號(hào)，故易于工程實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)學(xué);超聲電機(jī);相位差;閉環(huán)控制;相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)：TM3599文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to solve the problems that the speed of ultrasonic motor is usually affected by the changes of temperature and load， and that due to installation volume and cost of the speed sensor， the closed-loop control based on speed feedback is often limited in some special applications， a frequency closed-loop control method based on phase difference feedback is introduced. Firstly， the type of phase difference feedback quantity is optimally selected according to the sensitivity of different motor phase differences to the temperature and load change; secondly， aiming to the interference of mechanical and harmonic noises on phase difference calculating result， the correlation phase extraction method is proposed to improve the accuracy of phase difference between driving voltage and monitor electrode voltage; lastly， the corresponding frequency closed-loop control scheme is given according to the changes of temperature and load change， respectively. Experiment results indicate that this method can reduce the speed fluctuations caused by the changes of temperature and load， and improve the speed stability of motor system. Because only two voltage signals are needed to be recorded， this method is easy for implementation.

Keywords：electric machinery;ultrasonic motor;phase difference;closed-loop control;correlation analysis

超聲電機(jī)具備低速高轉(zhuǎn)矩、快速響應(yīng)、無電磁噪聲、斷電自鎖等優(yōu)良特性[1-2]，在醫(yī)療設(shè)備、光學(xué)儀器、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，航空航天以及新型軍事裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-6]。當(dāng)電機(jī)溫度發(fā)生變化時(shí)，其諧振頻率將會(huì)發(fā)生偏移[7]。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率不能很好地跟蹤諧振頻率變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速下降，效率降低[8]。此外，超聲電機(jī)的機(jī)械特性相對(duì)偏軟，當(dāng)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，大大降低了電機(jī)所在系統(tǒng)的可靠性[9]?；谵D(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)的閉環(huán)反饋控制可以較好地補(bǔ)償轉(zhuǎn)速的變化，但轉(zhuǎn)速傳感器一方面增加了超聲電機(jī)所在系統(tǒng)的體積，另一方面使高精度的編碼器增加了系統(tǒng)成本[10]。近年來，基于非轉(zhuǎn)速反饋的超聲電機(jī)頻率閉環(huán)控制技術(shù)成為了許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中基于孤極電壓反饋法和基于驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)電流鎖相法逐漸成為了頻率跟蹤控制的主流[11-13]。文獻(xiàn)[14]提出了基于孤極反饋的跟蹤方法，推導(dǎo)出了行波型超聲電機(jī)定子上孤極傳感器反饋電壓與其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并利用這一關(guān)系控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[15]提出了基于驅(qū)動(dòng)電壓反饋的頻率跟蹤技術(shù)，使驅(qū)動(dòng)電壓恒定讓電機(jī)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，但是單純以孤極電壓或驅(qū)動(dòng)電壓作為反饋信號(hào)很難同時(shí)滿足效率、轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)要求。文獻(xiàn)[16]提出基于驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流相位差反饋的方法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制，設(shè)計(jì)了超聲電機(jī)相位差負(fù)反饋閉環(huán)控制器，改善了溫度等外界因素變化對(duì)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，但由于超聲電機(jī)的信號(hào)頻率較高，電流信號(hào)相對(duì)于電壓信號(hào)不易測(cè)取而導(dǎo)致反饋誤差容易偏大。文獻(xiàn)[17]提及驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓相位差與定子阻抗特性的變化具有一致性，且被監(jiān)測(cè)信號(hào)同為電壓信號(hào)，測(cè)取方法簡單易于工程實(shí)現(xiàn)，具有較大的研究空間。

技術(shù)本文針對(duì)超聲電機(jī)多應(yīng)用于特種場合的實(shí)際情況，為避開編碼器給超聲電機(jī)控制系統(tǒng)帶來的安裝體積和成本問題，擬選用相位差信息作為反饋量進(jìn)行頻率閉環(huán)控制。根據(jù)電機(jī)溫度及負(fù)載變化時(shí)電機(jī)不同相位差信息的變化規(guī)律，優(yōu)化選擇反饋量，并提出一種能夠準(zhǔn)確提取基頻相位差信息的方法，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率，補(bǔ)償電機(jī)溫度及負(fù)載變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速帶來的不良影響。

1.1溫度變化時(shí)相位差反饋量的對(duì)比

1.2負(fù)載變化時(shí)相位差反饋量的對(duì)比

型號(hào)為TWUSM-60的行波型超聲電機(jī)測(cè)得的機(jī)械特性如圖5所示。

超聲電機(jī)廠家一般推薦按最大轉(zhuǎn)矩為1.5倍實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩的原則進(jìn)行電機(jī)選型。由圖5可知，電機(jī)在實(shí)際負(fù)載（2/3Tmax）處的轉(zhuǎn)速變化率為38%?？梢姵曤姍C(jī)的機(jī)械特性較軟，且呈非線性變化，轉(zhuǎn)速易受負(fù)載波動(dòng)的影響，使得超聲電機(jī)所在系統(tǒng)的可靠性大大降低。

為探究電機(jī)相位信息隨負(fù)載的變化規(guī)律，開環(huán)狀態(tài)下，在最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)改變負(fù)載，觀察驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流的相位差以及驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓的相位差隨負(fù)載變化趨勢(shì)，如圖6所示。

2相關(guān)性相位提取法

在基于相位差反饋的頻率閉環(huán)控制中，準(zhǔn)確提取兩信號(hào)基頻相位差是信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵。但一方面超聲電機(jī)的孤極電壓為陶瓷晶體利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，常夾雜有電機(jī)所在機(jī)械系統(tǒng)的背景振動(dòng)噪聲;另一方面電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由于變頻需求含有大量開關(guān)器件，產(chǎn)生較多的諧波噪聲。采用傳統(tǒng)的“過零法”提取相位差信息誤差較大。針對(duì)以上問題，利用改進(jìn)的相關(guān)性相位提取法，以獲取驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓的基頻相位差信息，具體方法如下。

3控制系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)方案

3.1控制系統(tǒng)構(gòu)建

3.2電機(jī)溫度變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)方案

步驟1：記錄在某初始溫度下驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓的相位差信息，并將其作為相位差設(shè)定值;

步驟2：實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓信號(hào)，利用相關(guān)性相位提取法實(shí)時(shí)計(jì)算兩者相位差;

步驟3：將相位差計(jì)算值和設(shè)定值比較，計(jì)算偏差值。此時(shí)對(duì)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)相位差計(jì)算值大于設(shè)定值時(shí)，提升驅(qū)動(dòng)頻率，減小相位差;當(dāng)相位差計(jì)算值小于設(shè)定值時(shí)，降低驅(qū)動(dòng)頻率，增大相位差，直至偏差量小于設(shè)定閾值為止。

3.3電機(jī)負(fù)載變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)方案

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選用型號(hào)為TWUSM-60的行波型超聲電機(jī)作為被控對(duì)象，選用配套的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行變頻控制;將磁粉制動(dòng)器作為其負(fù)載，利用張力控制器進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器型號(hào)為CYT-303，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。采用自制的信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)采集卡型號(hào)為Handyscope HS4，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為315 V，所構(gòu)建的超聲電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

4.1溫度變化時(shí)閉環(huán)反饋控制結(jié)果

4.1.1環(huán)境溫度變化時(shí)閉環(huán)反饋控制結(jié)果

測(cè)得電機(jī)在-15 ℃時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率為41 200 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓初始相位差為83.4°，本實(shí)驗(yàn)將此作為相位差初始設(shè)定值。利用高低溫交變?cè)囼?yàn)箱模擬環(huán)境溫度的變化，在電機(jī)允許范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，在此過程中進(jìn)行閉環(huán)控制。開環(huán)與閉環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化情況如圖10所示。

由圖10可知，當(dāng)溫度由-15 ℃變化至45 ℃時(shí)，開環(huán)控制情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由100 r/min下降至62 r/min;閉環(huán)控制情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由100 r/min下降至95 r/min，轉(zhuǎn)速速降由38%降至5%。由此可見，基于驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制方法，有效地降低了溫度對(duì)電機(jī)的影響。

4.1.2電機(jī)溫升變化時(shí)閉環(huán)反饋控制結(jié)果

實(shí)際上，超聲電機(jī)在運(yùn)行過程中由于各種損耗的存在會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱的情況。實(shí)驗(yàn)在20 ℃的室溫環(huán)境下令電機(jī)空載運(yùn)行。利用紅外測(cè)溫的方法監(jiān)測(cè)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)定子表面溫度隨時(shí)間的變化情況，如圖11所示。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電機(jī)的表面溫度由25 ℃變化到39.1 ℃。開環(huán)控制情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由75 r/min下降至65 r/min;閉環(huán)控制情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由75 r/min下降至72 r/min，轉(zhuǎn)速速降由13.3%降至4%。由此可見，基于驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制方法，有效地降低了電機(jī)自身溫升對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。

4.2負(fù)載變化時(shí)閉環(huán)反饋控制結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為0.85 N·m。調(diào)節(jié)負(fù)載分別至空載、輕載、中載以及重載4個(gè)等級(jí)，分別通過改變驅(qū)動(dòng)器頻率，將轉(zhuǎn)速調(diào)至空載轉(zhuǎn)速n0。實(shí)驗(yàn)過程中在4個(gè)負(fù)載等級(jí)之間增加了3組數(shù)據(jù)以提高擬合精度。相應(yīng)原始數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖14可知，電機(jī)加載到0.6 N·m時(shí)，開環(huán)情況下，轉(zhuǎn)速由空載時(shí)的100 r/min降至60 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為40%;閉環(huán)情況下，轉(zhuǎn)速由空載時(shí)的100 r/min降至95 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為5%;因此，基于驅(qū)動(dòng)電壓與孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制，能夠降低由于負(fù)載變化而引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高了電機(jī)對(duì)負(fù)載變化的抗擾能力。

5結(jié)語

1）驅(qū)動(dòng)電壓與孤極電壓的相位差相較于驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流相位差對(duì)溫度變化以及負(fù)載變化更為敏感，可將前者作為反饋量用于超聲波電機(jī)的頻率閉環(huán)控制。

2）改進(jìn)的相關(guān)性相位提取法可有效濾除機(jī)械噪聲和驅(qū)動(dòng)器諧波對(duì)相位差計(jì)算結(jié)果的影響，提高相位差提取和閉環(huán)控制準(zhǔn)確度。

3）基于驅(qū)動(dòng)電壓和孤極電壓相位差反饋的頻率閉環(huán)控制方案可降低環(huán)境溫度以及負(fù)載變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出的影響，提高電機(jī)所在系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）本文對(duì)超聲波電機(jī)頻率控制技術(shù)的研究仍然存在許多不足之處。相關(guān)性相位算法在改進(jìn)以及創(chuàng)新方面還有很大的提升空間，超聲波電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)運(yùn)行在各種復(fù)雜環(huán)境中，對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制的要求會(huì)更多，難度也會(huì)大大增加。今后將在這些方面繼續(xù)做深入的研究。

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