基于神经网络的行波超声波电动机起动控制

张慧敏，王海彦，史敬灼

(河南科技大学，河南洛阳471003)

   摘要：由于行波超声波电动机特殊的运行机理和结构特点，使其难以高转速直接起动。针对该问题，设计了参数在线自适应调节的转速控制器，以实现超声波电动机的高转速起动控制。采用神经网络实现控制器参数的在线自适应调节，以适应不同转速给定值的起动要求，充分发挥电机能力。实验表明，电动机起动快速准确，控制算法有效、可靠。

    关键词：超声波电动机；起动；神经网络；自适应

    中图分类号：TM1383  文献标识码：A  文章编号：1004一7018(2010)04—0042—03

O引  言  

    随着应用领域的不断拓展，对行波超声波电动机的转速控制也提出了越来越高的性能要求[1]。两相行波超声波电动机的转速控制可以通过调节电机驱动电压的频率、幅值和(或)相位差来实现^[2]。由于电机内部压电陶瓷材料的非线性及定转子接触表面的力学特性，使得行波超声波电动机难以高转速直接起动^[1-2]。

    以常用的调频调速为例，通常需要控制电机低速直接起动，然后调节频率，使转速缓慢升高至给定值。这类似于同步电动机牵人同步的过程，但超声波电动机转速与其驱动电压频率之间的关系存在较为严重的非线性，不同于同步电动机转速与频率之间的简单比例关系^[3]，且频率与电压幅值等可控变量之间存在耦合关系，从而使得这一高转速起动过程不易实现迅速、准确的目标。

    本文设计了参数在线自适应调节的转速闭环控制器．以实现两相行波超声波电动机的高转速起动控制.实验结果表明，控制效果良好。

1超声波电动机高转速起动实验分析

     本文实验用电机为shinsei usR60型两相行波超声波电动机，起动闭环控制采用调节驱动电压频率的实现方式。用于进行高转速起动实验的控制装置^[4]。结构如图l所示，控制功能由DsP编程实现。图中，旋转编码器E与电机同轴刚性连接，用于给出转速反馈信号。两相驱动电压闭环控制在保证两相电压幅值一致的同时，控制电压幅值为给定值，从而消除了开环状态下电压幅值随频率调节而变化的现象，解除了频率调节与电压幅值之间的控制量耦合关系，改善了通过调频进行转速控制的性能。

    当电机转速给定值较高时，起动控制过程为：转速控制器在控制起始时刻设置输出控制量(频率值)为初始值f0，该频率值对应于电机能够直接起动的较低转速值。电机在频率为f0的驱动电压作用下，由零速逐步起动，转速PI控制器根据转速误差调节频率值，使转速逐渐升高，趋于给定值。

    实验表明，电机上电施加驱动电压后并不立即开始旋转，而是经过一段延时后才开始转动。图2为实测的电机起动过程端电压及孤极反馈电压幅值波形。上电后，电机端电压幅值有个动态上升过程，这一电压变化过程主要源于电机定子压电材料在电压激励下的特性动态变化，也与驱动电路变压器、匹配电感的能量存储过程有关。随着电压幅值增大，表征电机定子行波振幅的孤极反馈电压幅值逐渐增大。由于预紧力使电机定转子接触表面存在较大的静摩擦力，定子行波振幅增大到某一阈值之后，电机才会开始旋转。图2中图。的t0时刻，电机开始旋转。考虑转速控制器的控制过程，若上电后转速控制器立即开始产生控制作用，则在t0时刻之前，由于转速为零，控制器将达到积分饱和状态，输出频率给定值远离能够使电机起动的初始值五，导致电机无法起动。所以将转速控制器设计为上电后输出频率给定值f0并维持不变，等待旋转编码器第一个反馈脉冲(上升或是下降沿)到来，即电机开始旋转后，控制器开始产生控制作用，按照PI控制规律调节频率。

    起动过程中，转速的控制是通过调节频率实现的。显然，在升速过程中频率调节的变化率越大，起动过程所需时间越短。实验中，采用固定Pl控制器中的比例系数Kp、调节积分系数KL的方法来改变频率调节的变化率。实验表明，相同转速给定值情况下，增大KI，电机起动过程加快；但是若K1过大，使频率变化过快，将导致电机停转，不能起动。对于不同转速给定值，寻找能够使电机最快平稳起动的K1值，实验结果如图3中数据点(小方块)所示。数据表明，随着转速给定值增大，合适的 K1值逐渐减小，且K1值与转速给定值之间呈非线性对应关系。