超声波电动机转速的双变量复合控制
史敬灼，王海彦
(河南科技大学，河南洛阳471003)
摘要：为了得到更加稳定的转速输出，设计了频率、电压双变量复合控制器对行波超声波电动机转速进行控制。其中频率控制器完成较大转速误差的校正，电压幅值控制则对转速误差进行微调，有效解决了转速阶梯状跳变、电压饱和等问题。实验表明，控制策略有效，转速控制效果良好。
关键词：超声波电动机；转速控制；复合控制
中图分类号：TM383 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)05—0042—03
0 引 言
超声波电动机结构形式多种多样，两相行波超声波电动机是产业化巾应用最多的一种[1]。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性能也提出了越来越高的要求。超声波电动机系统时变、耦合非线性严重，主要表现在驱动电路非线性、压电材料非线性、电机定转子之间机械能摩传递非线性等方面[1-3]。如何克服系统有的非线性特征，得到较好的转速控制特性，是超声波电动机转速控制研究面临的核心问题。
对超声波电动机而言，可用的转速控制变量有驱动电压幅值、驱动电压频率、两相驱动电压之间的相位差等三个。调节这三个可控变量中的任意一个或多个，都可以实现转速控制。现有文献给出的超声波电动机转速控制方法多采用单一变量控制；由于电机各个变量之间的强耦合关系，使得这些单变量控制方法难以充分发挥电机能力[1-3]。为了得到更好的控制效果，采用多个可控变量共同实施控制动作的转速复合控制策略成为必然的研究方向。
本文设计了采用频率与电压幅值两个可控变量的转速复合控制策略，在基于DSP的实验装置[4]上实现了转速闭环控制。实验表明，控制策略正确，效果良好。
1以频率为控制变量的转速闭环控制
超声波电动机两相驱动电压的相位差一般固定为+90。，以保证电机的合理运行状态，保持较高的电机效率指标及较好的运行稳定性，所以通常不采用调节相位差的调速方法。由于具有调速范围宽、调节方便、调节线性度较好等优点，超声波电动机的转速控制多采用调节驱动电压频率的方法。本节设计以频率为控制变量的转速PID控制器，控制器传递函数如下：
式中：Kp为比例增益；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。
PID控制器控制参数直接影响控制效果，必须对控制器参数进行合理整定。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或是时变，PID控制器的结构和参数需要依靠经验和现场调试来整定。PID控制器应用广泛，在实际应用中已经总结出了多种行之有效的PID控制器参数整定方法。整定方法的选择应以被控对象的控制特性为依据，实验测取超声波电动机转速开环阶跃响应曲线，曲线近似为S型函数，因而可将超声波电动机频率控制转速传递函数看作如式(2)所示的一阶惯性加纯滞后环节，并采用zie—gle—Nichol8整定法进行控制器参数整定。
式中：K为系统的开环放大倍数；T为系统时间常数；r为延迟时间。
根据工程整定法计算得到的控制器参数作为参数初值用于实际控制，并在实验过程中根据实际控制效果再进行调整，最终得到合适的控制器参数，通过调节电机两相端电压的频率实现对转速的有效控制。该转速控制器由DsP软件编程实现。与电机同轴刚性连接的500 p／r光电编码器用来测量电机实际转速以构成反馈，编码器输出脉冲串连接至DsP捕获单元实现转速测量。考虑到电机机械惯性及光电编码器精度为500 p／r，程序设计的转速控制周期为20 ms。内环为电压幅值闭环控制，以保证电机的合理运行状态，其控制周期取为1 ms，以适应电压值的较快变化。为了保护电机，程序中设置了电压幅值限制和超频保护功能。
图1为不同转速给2定值情况下，采用调频转速控制，实验测得的速度阶跃响应曲线。图1中，各曲线对应的转速给定值，从上到下依次为120 图1超声波电动机r／min、110 r／min、100 r／速度闭环控制特性
min、90 r／min。从图中可以看出，电机起动之后很快达到给定值并稳定在给定值附近，控制效果较好。 |
