二相行波超声波电机的电压闭环控制
王海彦， 史敬灼（河南科技大学，河南洛阳471003）
摘要：超声波电机( USM1是一种新型微特电机，运行机理及相应的驱动、控制方式均不同于传统电磁电机。由于制料差异、制造偏差、运行温升及负载变化等幽素的影啊，使得二相行波USM的二相驱动电压幅值差异较大，不符合电机的理想运行条件，直接导致电机运行性能下降、转速波动大。针对这一问题，设计并实现了基于数字信寸处理器( DSP)的USM二相电压闭环控制，使得二相电压幅值一致并可控，提高了电机运行的稳定性，有利于拓展IUJSM的工业化应用范同。
关键词：超声波电机：闭环控制：电压控制
中图分类号：TM301.2：TM35文献标识码：A文章编号：1673-6540( 2009) 12-0014-03
0引言
起声波电机( USM)利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能的转化，并通过定、转子间的摩擦作用将定子的微幅振动转化为转子的宏观单方向运动，从而获得机械功率输出。USM形式多样，二相行波USM是目前应用的主要类型。与USM的特殊运行机理相适应，其驱动控制方式与传统电磁电机有显著差异。以二相行波USM为例，为保证其合理高效运行，二相驱动电压应同频等幅；且运行频率为超声频（一般为20 - 100kHz），电压幅值较高(峰峰值一般为100 -1000V)。实际应用的USM，由于二相压电陶瓷材料特性差异、制造偏差、运行温升及负载变化等因素的影响，使得作用于USM的二相驱动电压幅值差异显著，不符合电机的理想运行条件，直接影响电机的稳定运行，转速波动大，严重时会损坏电
机。为提高电机动态与稳态性能，减小转速波动，使电机稳定高效运行，需要对电机进行电压闭环控制。
本文在基于数字信号处理器( DSP)的二相行波USM驱动控制实验平台上，设计并实现了二相电压闭环控制，使得二相电压幅值一致并可控，提高了电机运行稳定性，有利于拓展USM的工业化应用范同。
1 电压闭环控制的设计与实现
图l为开环运行情况下的电机二相驱动电压实测波形。由图可见，二相电压峰峰值分别为222 V和258 V差异较大。试验用电机为国产USM60型二相行波USM，谐振频率为41. 09 kHz。控制电路【5】采用电机控制专用DSP芯片DSP56F801作为主控芯片，H桥驱动电路结构DC 12 V供电。
为实现电压闭环控制，首先需要获取电压反馈信号。二相交流驱动电压经电阻分压、整流成为合适幅值的低压正值信号后，由ADC转换为数字信号，乘以一定的比例系数后作为电压反馈值传递给控制器。DSP56FSOI内置的12位ADC模块有两个独立的采样保持电路，可实现对二相驱动电压反馈信号的同时采样，以保证控制准确性。
电压反馈信号的精度与准确性直接影响闭环控制效果。由于USM驱动电压幅值和频率较高，电路中的电压反馈模拟信号不可避免地含有干扰噪声，如图2所示。如果这些干扰信号被采样并作为电压反馈值作用于控制器，必然导致控制器计算错误，进而影响闭环控制的稳定性。因此对电压反馈信号应采取必要的滤波措施。根据对实际信号波形数据的细致分析，本文设计了三点滚动采样取中间值的数字滤波方法，有效滤除了非正常反馈值，如图2所示。
二相电压反馈值分剐送至每相电压的闭环控制器，如图3闭环控制结构框图所示。控制器根据电压误差值，给出合适的控制量使实际电压趋近于给定值。本文控制电路采用二相H桥驱动电路结构，由DSP发出二相相移脉宽调制( PWM)信号分别控制二相H桥电路中MOSFET的通断状态，输出二相交流驱动电压。驱动电压幅值的控制可以采用改变PWM信号占空比的方法来实现，本文介绍的电压控制器的输出控制量即为相应的PWM信号占空比。
通过串联电感匹配电路的合理设计，可以减弱PWM信号占空比与驱动电压幅值之间控制关系的非线性，使之成为近似的线性关系。因此，本文电压控制器没计为PI控制器，以简化控制结构，提高响应速度。控制计算设计为式(1)所示的增量式PI控制算法：  电压闭环控制程序流程如图4所示。 2试验结果及分析
图5为电压闭环控制情况下，运行频率为42. 09 kHz，电压给定值（峰峰值）为220 V时的二相驱动电压实测波形。由图可见，二相电压峰峰值一致，达到了预期的控制效果。
本文所介绍的电压闭环控制在实现二相电压幅值…致的同时，也显著减小了电压幅值的波动，如图6所示。该图所示为开环与闭环控制情况下，实测驱动电压幅值变化数据，测试时间长度为0.3 s。
电压闭环控制使得电机驱动电压趋近于理想情况，必然也会带来电机运行状况的改善，例如转速波动。图7为开环与闭环控制情况下，实测的电机转速变化波形，测试时问长度为3s。由图7可看出，电压闭环控制使转速波动范围由4 r/min减小为2 r/min。
3 结语
本文针对二相行波USM驱动电压的非线性问题，讨论了USM电压闭环控制的设计与实现过程。试验结果表明，电压闭环控制使得二相电压幅值一致并可控，显著减小了电压幅值的波动，减小了电机转速波动幅度，提高了电机运行稳定性。
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