基于DSP双模控制的超声波电动机电源

    王续宇，庄圣贤

(西南交通大学，四川成都610031)

    摘要：从超声波电动机对驱动电源的要求出发，提出了一种基于DSP的PID FUZZY双模控制方法，并给出了与之对应的超声波电动机电源的设计思路及其详细电路。试验表明，该方法辨识能力强、稳态精度好，具有较大的应用价值和推广价值。

  关键词：超声波电动机；DSP；PID—FUZZY；双模控制

  中图分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0043—03

0引言

    由于超声波电动机随着温度、电源电压、负载转矩和定转子之间静压力等外界条件的变化，压电陶瓷的谐振频率会发生漂移，系统呈现高度非线性。电机为特殊的两相式结构，两相之间存在机电参数及机电耦合效应的不平衡性等原因，使得超声波电动机形成一个复杂的多变量、强耦合的时变系统，因此不能够用精确的数学模型完全表达超声波电动机动态和稳态特性，对超声波电动机电源及其控制方法的研究都造成一定的难度。基于此，本文从超声波电动机对驱动电源的要求出发，提出了一种基于DSP的双模控制方法，并给出了与之对应的超声波电动机电源的设计思路。试验表明，该方法辨识能力强、稳态精度好，具有很大的应用和推广价值。

1超声波电动机对驱动电源的要求

  超声波电动机的主要工作特点是给其施加两相相位互差一定角度的交流电压，利用压电陶瓷的逆压电效应，使压电陶瓷发生谐振并带动定子环一起振动，再通过定、转子之间的摩擦力驱动转子旋转或滑块直线运动。在电激励下，超声波电动机定子表面形成周向行波或驻波。在波峰处，质点切向运动速度V可由下式表示^[1]：

式中：ω——超声波振动的角频率；

    θ——两路输入信号的相位差；

    B、A——分别为两路输入信号的振幅；

    k——周向行波的波数，由压电陶瓷的极化区域的分布情况确定。

    由上式可以看出，波峰处的速度控制可以通过振幅比B／A，相位差θ，驱动频率f(f，ω/2π)来实现。因此超声波电动机首先必须能够准确并迅速地测出超声波的谐振频率(谐振点不止一个)、所需两相交流电压的相位差、两相交流电压的峰值，进而根据系统要求进行转速调节。  

    对于超声波电动机的两组通以互差一定相移的交流电，且当该相位差为某一角度时输出转矩达到****值。对行波型两个激励源要求相差π/2，但对驻波型超声波电动机而言(特别是纵扭复合型)，由于纵扭振子在夹心定子中的位置不同，纵扭振动传播速度不同，很难通过计算得到纵扭振子驱动信号相位，以保证定子表面质点纵扭振动所需的相位差，只能通过测试方法得到，所以超声波电源的两路输出驱动信号应能够在0～180^。范围内连续可调。

    由于超声波电动机是在谐振状态下工作的，不同的超声波电动机，其谐振频率不同。即使是同一超声波电动机，谐振点也不止一个；另一方面，随着温度的变化，其谐振频率本身也会跟着变化。一般超声波电动机的谐振频率在20～100 kHz之间，故超声波电动机电源的频率输出要求20～100kHz，且两相连续可调。

    另外，从定转子接触面的角度分析，两路驱动电压必须可调节。

    纵上所述，超声波电动机对驱动电源的要求如下：

    (1)两路驱动信号相位O～180。连续可调；

    (2)两路驱动信号可反向调节，以改变转向；

    (3)频率输出20～100 kHz内可调；

    (4)因驱动对象超声波电动机为容性负载，故要实现阻抗匹配；

    (5)具有频率、相位自动跟踪功能；

    (6)两路驱动电压可调。

2基于DsP双模控制的超声波电动机电源

2.1系统框图

    系统组成基本框图如图1所示。

  检测环节包括速度检测、电压和电流检测几方面。速度检测采用光电编码器，本文采用长春第一光学仪器厂生产的LFA-500A-18000小型高脉冲光电编码器。它具有体