基于DSP雙模控制的超聲波電動機電源

    王續宇，莊圣賢

(西南交通大學，四川成都610031)

    摘要：從超聲波電動機對驅動電源的要求出發，提出了一種基于DSP的PID FUZZY雙模控制方法，并給出了與之對應的超聲波電動機電源的設計思路及其詳細電路。試驗表明，該方法辨識能力強、穩態精度好，具有較大的應用價值和推廣價值。

  關鍵詞：超聲波電動機；DSP；PID—FUZZY；雙模控制

  中圖分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0043—03

0引言

    由于超聲波電動機隨著溫度、電源電壓、負載轉矩和定轉子之間靜壓力等外界條件的變化，壓電陶瓷的諧振頻率會發生漂移，系統呈現高度非線性。電機為特殊的兩相式結構，兩相之間存在機電參數及機電耦合效應的不平衡性等原因，使得超聲波電動機形成一個復雜的多變量、強耦合的時變系統，因此不能夠用精確的數學模型完全表達超聲波電動機動態和穩態特性，對超聲波電動機電源及其控制方法的研究都造成一定的難度。基于此，本文從超聲波電動機對驅動電源的要求出發，提出了一種基于DSP的雙模控制方法，并給出了與之對應的超聲波電動機電源的設計思路。試驗表明，該方法辨識能力強、穩態精度好，具有很大的應用和推廣價值。

1超聲波電動機對驅動電源的要求

  超聲波電動機的主要工作特點是給其施加兩相相位互差一定角度的交流電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使壓電陶瓷發生諧振并帶動定子環一起振動，再通過定、轉子之間的摩擦力驅動轉子旋轉或滑塊直線運動。在電激勵下，超聲波電動機定子表面形成周向行波或駐波。在波峰處，質點切向運動速度V可由下式表示^[1]：

式中：ω——超聲波振動的角頻率；

    θ——兩路輸入信號的相位差；

    B、A——分別為兩路輸入信號的振幅；

    k——周向行波的波數，由壓電陶瓷的極化區域的分布情況確定。

    由上式可以看出，波峰處的速度控制可以通過振幅比B／A，相位差θ，驅動頻率f(f，ω/2π)來實現。因此超聲波電動機首先必須能夠準確并迅速地測出超聲波的諧振頻率(諧振點不止一個)、所需兩相交流電壓的相位差、兩相交流電壓的峰值，進而根據系統要求進行轉速調節。  

    對于超聲波電動機的兩組通以互差一定相移的交流電，且當該相位差為某一角度時輸出轉矩達到****值。對行波型兩個激勵源要求相差π/2，但對駐波型超聲波電動機而言(特別是縱扭復合型)，由于縱扭振子在夾心定子中的位置不同，縱扭振動傳播速度不同，很難通過計算得到縱扭振子驅動信號相位，以保證定子表面質點縱扭振動所需的相位差，只能通過測試方法得到，所以超聲波電源的兩路輸出驅動信號應能夠在0～180^。范圍內連續可調。

    由于超聲波電動機是在諧振狀態下工作的，不同的超聲波電動機，其諧振頻率不同。即使是同一超聲波電動機，諧振點也不止一個；另一方面，隨著溫度的變化，其諧振頻率本身也會跟著變化。一般超聲波電動機的諧振頻率在20～100 kHz之間，故超聲波電動機電源的頻率輸出要求20～100kHz，且兩相連續可調。

    另外，從定轉子接觸面的角度分析，兩路驅動電壓必須可調節。

    縱上所述，超聲波電動機對驅動電源的要求如下：

    (1)兩路驅動信號相位O～180。連續可調；

    (2)兩路驅動信號可反向調節，以改變轉向；

    (3)頻率輸出20～100 kHz內可調；

    (4)因驅動對象超聲波電動機為容性負載，故要實現阻抗匹配；

    (5)具有頻率、相位自動跟蹤功能；

    (6)兩路驅動電壓可調。

2基于DsP雙模控制的超聲波電動機電源

2.1系統框圖

    系統組成基本框圖如圖1所示。

  檢測環節包括速度檢測、電壓和電流檢測幾方面。速度檢測采用光電編碼器，本文采用長春第一光學儀器廠生產的LFA-500A-18000小型高脈沖光電編碼器。它具有體