基于神經網絡的行波超聲波電動機起動控制

張慧敏，王海彥，史敬灼

(河南科技大學，河南洛陽471003)

   摘要：由于行波超聲波電動機特殊的運行機理和結構特點，使其難以高轉速直接起動。針對該問題，設計了參數在線自適應調節的轉速控制器，以實現超聲波電動機的高轉速起動控制。采用神經網絡實現控制器參數的在線自適應調節，以適應不同轉速給定值的起動要求，充分發揮電機能力。實驗表明，電動機起動快速準確，控制算法有效、可靠。

    關鍵詞：超聲波電動機；起動；神經網絡；自適應

    中圖分類號：TM1383  文獻標識碼：A  文章編號：1004一7018(2010)04—0042—03

O引  言  

    隨著應用領域的不斷拓展，對行波超聲波電動機的轉速控制也提出了越來越高的性能要求[1]。兩相行波超聲波電動機的轉速控制可以通過調節電機驅動電壓的頻率、幅值和(或)相位差來實現^[2]。由于電機內部壓電陶瓷材料的非線性及定轉子接觸表面的力學特性，使得行波超聲波電動機難以高轉速直接起動^[1-2]。

    以常用的調頻調速為例，通常需要控制電機低速直接起動，然后調節頻率，使轉速緩慢升高至給定值。這類似于同步電動機牽人同步的過程，但超聲波電動機轉速與其驅動電壓頻率之間的關系存在較為嚴重的非線性，不同于同步電動機轉速與頻率之間的簡單比例關系^[3]，且頻率與電壓幅值等可控變量之間存在耦合關系，從而使得這一高轉速起動過程不易實現迅速、準確的目標。

    本文設計了參數在線自適應調節的轉速閉環控制器．以實現兩相行波超聲波電動機的高轉速起動控制.實驗結果表明，控制效果良好。

1超聲波電動機高轉速起動實驗分析

     本文實驗用電機為shinsei usR60型兩相行波超聲波電動機，起動閉環控制采用調節驅動電壓頻率的實現方式。用于進行高轉速起動實驗的控制裝置^[4]。結構如圖l所示，控制功能由DsP編程實現。圖中，旋轉編碼器E與電機同軸剛性連接，用于給出轉速反饋信號。兩相驅動電壓閉環控制在保證兩相電壓幅值一致的同時，控制電壓幅值為給定值，從而消除了開環狀態下電壓幅值隨頻率調節而變化的現象，解除了頻率調節與電壓幅值之間的控制量耦合關系，改善了通過調頻進行轉速控制的性能。

    當電機轉速給定值較高時，起動控制過程為：轉速控制器在控制起始時刻設置輸出控制量(頻率值)為初始值f0，該頻率值對應于電機能夠直接起動的較低轉速值。電機在頻率為f0的驅動電壓作用下，由零速逐步起動，轉速PI控制器根據轉速誤差調節頻率值，使轉速逐漸升高，趨于給定值。

    實驗表明，電機上電施加驅動電壓后并不立即開始旋轉，而是經過一段延時后才開始轉動。圖2為實測的電機起動過程端電壓及孤極反饋電壓幅值波形。上電后，電機端電壓幅值有個動態上升過程，這一電壓變化過程主要源于電機定子壓電材料在電壓激勵下的特性動態變化，也與驅動電路變壓器、匹配電感的能量存儲過程有關。隨著電壓幅值增大，表征電機定子行波振幅的孤極反饋電壓幅值逐漸增大。由于預緊力使電機定轉子接觸表面存在較大的靜摩擦力，定子行波振幅增大到某一閾值之后，電機才會開始旋轉。圖2中圖。的t0時刻，電機開始旋轉。考慮轉速控制器的控制過程，若上電后轉速控制器立即開始產生控制作用，則在t0時刻之前，由于轉速為零，控制器將達到積分飽和狀態，輸出頻率給定值遠離能夠使電機起動的初始值五，導致電機無法起動。所以將轉速控制器設計為上電后輸出頻率給定值f0并維持不變，等待旋轉編碼器第一個反饋脈沖(上升或是下降沿)到來，即電機開始旋轉后，控制器開始產生控制作用，按照PI控制規律調節頻率。

    起動過程中，轉速的控制是通過調節頻率實現的。顯然，在升速過程中頻率調節的變化率越大，起動過程所需時間越短。實驗中，采用固定Pl控制器中的比例系數Kp、調節積分系數KL的方法來改變頻率調節的變化率。實驗表明，相同轉速給定值情況下，增大KI，電機起動過程加快；但是若K1過大，使頻率變化過快，將導致電機停轉，不能起動。對于不同轉速給定值，尋找能夠使電機最快平穩起動的K1值，實驗結果如圖3中數據點(小方塊)所示。數據表明，隨著轉速給定值增大，合適的 K1值逐漸減小，且K1值與轉速給定值之間呈非線性對應關系。