超聲波電動機轉速的雙變量復合控制
史敬灼，王海彥
(河南科技大學，河南洛陽471003)
摘要：為了得到更加穩定的轉速輸出，設計了頻率、電壓雙變量復合控制器對行波超聲波電動機轉速進行控制。其中頻率控制器完成較大轉速誤差的校正，電壓幅值控制則對轉速誤差進行微調，有效解決了轉速階梯狀跳變、電壓飽和等問題。實驗表明，控制策略有效，轉速控制效果良好。
關鍵詞：超聲波電動機；轉速控制；復合控制
中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0042—03
0 引 言
超聲波電動機結構形式多種多樣，兩相行波超聲波電動機是產業化巾應用最多的一種[1]。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性能也提出了越來越高的要求。超聲波電動機系統時變、耦合非線性嚴重，主要表現在驅動電路非線性、壓電材料非線性、電機定轉子之間機械能摩傳遞非線性等方面[1-3]。如何克服系統有的非線性特征，得到較好的轉速控制特性，是超聲波電動機轉速控制研究面臨的核心問題。
對超聲波電動機而言，可用的轉速控制變量有驅動電壓幅值、驅動電壓頻率、兩相驅動電壓之間的相位差等三個。調節這三個可控變量中的任意一個或多個，都可以實現轉速控制。現有文獻給出的超聲波電動機轉速控制方法多采用單一變量控制；由于電機各個變量之間的強耦合關系，使得這些單變量控制方法難以充分發揮電機能力[1-3]。為了得到更好的控制效果，采用多個可控變量共同實施控制動作的轉速復合控制策略成為必然的研究方向。
本文設計了采用頻率與電壓幅值兩個可控變量的轉速復合控制策略，在基于DSP的實驗裝置[4]上實現了轉速閉環控制。實驗表明，控制策略正確，效果良好。
1以頻率為控制變量的轉速閉環控制
超聲波電動機兩相驅動電壓的相位差一般固定為+90。，以保證電機的合理運行狀態，保持較高的電機效率指標及較好的運行穩定性，所以通常不采用調節相位差的調速方法。由于具有調速范圍寬、調節方便、調節線性度較好等優點，超聲波電動機的轉速控制多采用調節驅動電壓頻率的方法。本節設計以頻率為控制變量的轉速PID控制器，控制器傳遞函數如下：
式中：Kp為比例增益；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數。
PID控制器控制參數直接影響控制效果，必須對控制器參數進行合理整定。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或是時變，PID控制器的結構和參數需要依靠經驗和現場調試來整定。PID控制器應用廣泛，在實際應用中已經總結出了多種行之有效的PID控制器參數整定方法。整定方法的選擇應以被控對象的控制特性為依據，實驗測取超聲波電動機轉速開環階躍響應曲線，曲線近似為S型函數，因而可將超聲波電動機頻率控制轉速傳遞函數看作如式(2)所示的一階慣性加純滯后環節，并采用zie—gle—Nichol8整定法進行控制器參數整定。
式中：K為系統的開環放大倍數；T為系統時間常數；r為延遲時間。
根據工程整定法計算得到的控制器參數作為參數初值用于實際控制，并在實驗過程中根據實際控制效果再進行調整，最終得到合適的控制器參數，通過調節電機兩相端電壓的頻率實現對轉速的有效控制。該轉速控制器由DsP軟件編程實現。與電機同軸剛性連接的500 p／r光電編碼器用來測量電機實際轉速以構成反饋，編碼器輸出脈沖串連接至DsP捕獲單元實現轉速測量。考慮到電機機械慣性及光電編碼器精度為500 p／r，程序設計的轉速控制周期為20 ms。內環為電壓幅值閉環控制，以保證電機的合理運行狀態，其控制周期取為1 ms，以適應電壓值的較快變化。為了保護電機，程序中設置了電壓幅值限制和超頻保護功能。
圖1為不同轉速給2定值情況下，采用調頻轉速控制，實驗測得的速度階躍響應曲線。圖1中，各曲線對應的轉速給定值，從上到下依次為120 圖1超聲波電動機r／min、110 r／min、100 r／速度閉環控制特性
min、90 r／min。從圖中可以看出，電機起動之后很快達到給定值并穩定在給定值附近，控制效果較好。 |
