CN101931341A

CN101931341A - 效率优化控制的超声波电机系统

Info

Publication number: CN101931341A
Application number: CN 201010286506
Authority: CN
Inventors: 史敬灼; 刘博�; 田葳; 石静; 王海彦
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: CN101931341B

Abstract

本发明涉及超声波电机控制领域，特别是一种效率优化控制的超声波电机系统，包括两相行波超声波电机、为所述超声波电机提供驱动的H桥驱动电路、为所述驱动电路提供控制信号的H桥相移PWM控制信号发生器，以及所述超声波电机的控制系统，所述超声波电机的控制系统包括转速闭环和电压闭环。由于在驱动电压控制中加入能够提高效率的效率优化控制器，并且在转速闭环控制中加入补偿效率优化控制影响的转速前馈控制器，从而可靠地实现了超声波电机的效率优化控制。

Description

效率优化控制的超声波电机系统

技术领域

本发明涉及超声波电机控制领域，特别是一种效率优化控制的超声波电机系统。

背景技术

超声波电机USM是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电磁电机的工作原理与结构。USM的特点使其在高端及普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。

提高电机驱动系统的效率以节约能源是研究者不懈追求的目标。超声波电机虽有诸多优点，但超声波电机运动控制系统的运行效率远低于传统电磁电机。而目前超声波电机的主要应用场合，如照相机、手表、汽车电子及美国的火星探路者等，均为有限能源供电场合，低效率严重制约了超声波电机在相关领域的应用。因而，低效率已成为超声波电机领域必须研究解决的关键问题之一。

要提高超声波电机系统的运行效率，可从电机本体设计、驱动电路拓扑结构、效率优化控制策略等几方面着手进行研究。在电机本体研究方面，国内外学者已经做了大量研究工作以提高电机本体的机电能量转换效率，在电机设计的方方面面都考虑到了提高机电能量转换效率的问题，并针对不同结构、不同能量传递形式的各类型超声波电机进行了许多有益的尝试，在定转子材料与摩擦材料选择与制备、定转子结构优化设计、振动模态优化设计、谐波模态分离、模态一致性调节、预紧力优化等方面都有文献发表。这些研究工作为超声波电机驱动、控制方法的研究提供了有力支撑。

在功率驱动电路拓扑结构方面，为减小逆变电路损耗，已有关于用软开关技术应用的研究。在超声波电机控制策略研究方面，关于效率优化的研究不多，更多的是对非优化控制策略的研究。根据对实验数据的分析，固定相位差，调节频率使得驱动电压有效值达到最小值时，电机效率最高。基于这一认识，现有技术提出了很多方法与系统，对超声波电机进行控制，但是仍存在诸多缺陷，不能实现真正的效率优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率优化控制的超声波电机系统，用以解决的现有技术不能真正实现效率优化控制的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种效率优化控制的超声波电机系统，包括转速闭环与驱动电压闭环，所述转速闭环包括所述超声波电机及其H桥驱动电路，相移PWM信号发生器对所述H桥驱动电路提供控制信号，所述相移PWM信号发生器的输入端分别连接转速闭环的频率调节单元的输出端和驱动电压闭环的占空比调节单元的输出端，所述驱动电压闭环的输入端设置有效率优化控制器，所述转速闭环中设有用于降低效率优化控制对转速控制的影响、对转速偏差进行补偿的转速前馈控制器，所述转速前馈控制器的一个输入端连接转速闭环的输入端，另一个输入端连接所述驱动电压闭环的输入端，输出端连接在所述频率调节单元的输入端上。

由于在驱动电压控制中加入能够提高效率的效率优化控制器，并且在转速闭环控制中加入补偿效率优化控制影响的转速前馈控制器，从而可靠地实现了超声波电机的效率优化控制。

所述转速闭环的超声波电机上设有转速测量模块，该模块测量电机转速，并且将转速信号输出到一个转速反馈比较器的一个输入端，所述转速反馈比较器的另一个输入端接收转速给定值Nref(k)，输出端连接一个转速控制器的输入端，所述转速控制器的输出端与所述转速前馈控制器的输出端均连接一个频率比较器，所述频率比较器连接在所述转速控制器与所述频率调节器之间，该频率比较器的一个输入端连接所述转速控制器的输出端，其另一个输入端连接所述转速前馈控制器的输出端，其输出端通过一个频率调节电压连接所述相移PWM信号发生器的对应输入端；所述转速反馈比较器将输入的转速给定值Nref(k)与所述转速测量模块提供的转速信号做减法，将生成的转速误差e(k)输出给所述转速控制器，所述转速控制器按照给定的闭环算法处理输入的转速误差e(k)，生成能够减少误差的驱动频率值a0(k)，连同所述转速前馈控制器的输出a(k)，通过所述频率比较器做加法，叠加而成的信号u(k)通过所述频率调节器输出给所述相移PWM控制信号发生器。

所述驱动电压闭环由输出给定驱动电压Uref的外环和调节电机驱动电压的内环构成，该内环包括A、B两相相同的电压控制器，所述两相电压控制器的输出端分别连接所述占空比调节器的输入端，所述占空比调节器的输出端连接相移PWM控制信号发生器的对应输入端，为相移PWM控制信号发生器提供驱动电压幅度控制信号，A、B相电压控制器各自的输入端分别连接一个驱动电压比较器的输出端，每个驱动电压比较器的两个输入端分别接收各自相的实际驱动电压与给定驱动电压Uref，并将两输入信号做减法，使生成的电压误差作为输出，作为对应A相或B相电压控制器的输入信号；所述外环包括效率优化控制器，效率优化控制器的一个输入端连接一个系统输入功率反馈模块的输出端，另一个输入端接收给定驱动电压初始值Uref(0)，其输出端连接所述A、B相驱动电压比较器的输入端，为所述A、B相驱动电压比较器提供所述给定驱动电压Uref；所述系统输入功率反馈模块输出系统输入功率变化量的反馈值，提供给效率优化控制器。

所述转速测量模块由一个旋转编码器与一个转速测量反馈单元构成，旋转编码器固定装配在超声波电机转轴上，旋转编码器输出端连接转速测量反馈单元的输入端，转速测量反馈单元输出端连接所述转速反馈比较器；旋转编码器输出频率正比于电机转速的方波信号，输出给所述转速测量反馈单元，所述转速测量反馈单元将接收到的方波信号转化为电机转速信号，输出给转速反馈比较器。

所述系统输入功率反馈模块包括一个系统输入电流比较器，其输入端连接一个系统输入电流反馈单元，所述系统输入电流反馈单元检测并记录输入电流值，将当前时刻与前一时刻的电流测量值输出给所述系统输入电流比较器，由系统电流比较器生产当前时刻的输入电流变化量Δi(k)，作为代表输入功率变化量的反馈值。

附图说明

图1是超声波电机系统框图；

图2是效率调节过程曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1所示为超声波电机系统，电机为广泛应用的两相行波超声波电机，采用H桥相移PWM结构的驱动电路，如图中“相移PWM发生器”、“H桥驱动”环节所示。相移PWM发生器接收“频率调节单元”给出的频率指令值和“占空比调节”单元给出的占空比指令值，按照这些指令值产生对应的相移PWM控制信号给H桥驱动电路。H桥驱动电路中的功率电力电子器件在这些PWM控制信号控制下进行开、关动作，给出高频高压的驱动电压作用于超声波电机的A、B两相，使超声波电机按期望状态旋转。与常见的推挽式电路相比，采用相移PWM控制方法的H桥电路在电路效率、输出电压谐波、电压幅值控制线性度等方面的性能都较好。

电路输入电源电压为DC12V。主控芯片为电机控制专用DSP芯片DSP56F801，CPLD主要用于实现H桥相移PWM控制信号发生器，控制功能由DSP编程实现。

图1中，旋转编码器E与电机同轴刚性连接，给出频率与电机转速成正比的方波信号，该信号经“转速测量反馈单元”处理后，给出转速值，作为转速反馈信号提供给“转速控制器”。

图1中，“A相电压控制器”、“B相电压控制器”、“占空比调节”等单元构成两相驱动电压幅值的闭环控制，该闭环控制作为内环控制，给定值为Uref(k)，由外环的效率优化控制器给出。两相驱动电压幅值闭环控制在保证两相电压幅值一致的同时，控制电压幅值为实现效率优化所需要的某一值Uref(k)，从而消除了开环状态下电压幅值随频率调节而变化的现象，解除了频率调节与电压幅值之间的控制量耦合关系，改善通过调频进行转速控制的性能。具体控制过程为，首先检测当前时刻的电机A、B两相的实际驱动电压幅值UA(k)、UB(k)，与给定值Uref(k)做减法，得到当前实际电压幅值与期望值之差，即电压幅值误差，分别作为A相、B相电压控制器的输入。A相、B相电压控制器按照事先设计的闭环控制算法进行计算，给出为了快速减小电压幅值误差所需要的PWM占空比数值，通过“占空比调节”单元输出给“相移PWM发生器”。

对超声波电机控制系统而言，能够用于实现控制目的的可控自变量有电机驱动电压的幅值、频率及两相电压之间的相位差等三个量。这三个量中，频率用于转速闭环控制，如图1“转速控制器”、“频率调节单元”所示。转速闭环控制的具体控制过程为，采用旋转编码器E与“转速测量反馈单元”检测当前时刻的电机转速值，与给定值Nref(k)做减法，得到当前实际转速值与期望值之差，即转速误差e(k)，作为转速控制器的输入。转速控制器按照事先设计的闭环控制算法进行计算，给出为了快速减小转速误差所需要的驱动频率数值，通过“频率调节单元”输出给“相移PWM发生器”。

第二个可控自变量：两相驱动电压相位差，直接决定了电机定子表面两相驻波的时间相位差；已有研究表明，与其它相位差角度值比较，相位差±90°情况下，超声波电机的机电能量转换效率最高。因而，本发明将两相驱动电压相位差设定为±90°。余下的一个可控量：驱动电压幅值，可用于实现超声波电机系统效率在线优化控制。

具体来说，在调节频率实现电机转速控制目标的前提下，设计效率优化控制器，根据系统输入电流反馈值判断当前时刻的效率变化趋势，调节驱动电压幅值给定值，通过电压幅值闭环控制改变驱动电压幅值，达到减小输入电流、提高效率的控制目的。应指出的，这里的电压幅值调节是在转速闭环控制情况下进行的；随着电压幅值的变化，频率必然在转速控制器作用下变化以维持电机转速不变；因而，本发明的调幅效率优化控制不是单纯的调幅控制，而是在相位差±90°条件下，同时调整电压幅值、频率的全局优化控制。

超声波电机系统的效率优化控制，需要能够表征电机系统当前效率状况的反馈单元，以便在调整某一可控自变量之后，观察系统效率的变化趋势及变化幅度。超声波电机系统的效率为电机轴输出机械功率与驱动控制电路输入电功率的比值。因输出机械功率不易直接测量，所以电机系统的效率反馈通常采用间接方式。若电机转速及负载情况不变，即输出机械功率不变，则电机驱动控制电路输入电功率的变化可用于表征功率变化。进一步，若电路输入电源电压恒定，则电路输入电流的变化就反映了电机系统效率的变化，且两者之间成反比例关系；减小输入电流即可降低电机系统输入功率，进而提高超声波电机系统的机电能量转换效率。所以，可以根据直流输入电流的大小来判断电机系统的效率是否提高。即，检测系统直流输入电流就可以为效率优化控制提供闭环反馈值。图1中，“系统输入电流反馈单元”就用来完成这一任务。该单元检测当前输入电流值，然后用该值减去前一时刻的测量值（图1中与“系统输入电流反馈单元”相连接的“

”单元表示“前一时刻”），得到当前时刻的输入电流变化量Δi(k)，作为代表输入电功率变化量的反馈值，送至效率优化控制器。

为实现在线、实时的效率优化控制，首先应明确，调节电压幅值是否能够改变系统效率；其次，应了解转速闭环控制情况下的电压幅值与系统效率变化之间的特性关系。电压幅值-输入电流（效率）特性关系是实现效率优化控制的前提和基础，效率优化控制器应根据这一关系的特点（单峰、多峰或是单调变化）来设计。

大量实验表明：

1、转速给定值相同、驱动电压幅值不同时，直流输入电流差别明显；驱动电压幅值越低，稳态直流输入电流越小，因而系统效率也越高。这表明，在保证转速控制效果的前提下，电机系统存在通过电压幅值控制提高效率的可能性，且效率优化空间较大；

2、在实际可调的驱动电压幅值范围内，即：在降压至下限值的调压范围内，未发现电压幅值-输入电流变化曲线的拐点，即曲线具有单调下降性，驱动电压幅值越低，输入电流越小，系统效率越高。

因此，要实现系统效率优化控制，图1中，“效率优化控制器”只需在驱动电压的实际可调范围内一直降压，直到降至驱动电压下限值，此时系统直流输入电流达到最小值，也就实现了系统效率的最大化。

图1所示控制系统包含转速和效率优化两种控制，它们之间需要协调。该系统的整体控制过程为，电机首先在转速控制器控制下，由零速开始调频起动。起动时，Uref初值Uref(0)取为能够保证超声波电机正常起动的足够大值。当起动过程结束、转速达到稳态后，效率优化控制器开始调节Uref进行优化控制。这样，既保证了电机正常起动，又能够在起动之后得到更低的Uref值。

下面说明图1中“转速前馈控制器”的作用。

系统效率优化控制器作用期间，驱动电压幅值的改变作为一种外加扰动影响了转速控制效果；在Uref减小的过程中，转速偏差随着Uref的减小而逐渐增大；Uref减小至程序事先设定的终值后，转速误差减小并恢复到只有转速控制时的正常水平。这是因为电压幅值调节的加入，改变了作为转速控制器控制对象的电机系统的动态运行特性，因而在不变的控制器参数作用下，闭环系统的控制特性必然发生变化。在Uref不断减小的优化调节过程中，由转速控制器给出的频率控制量的改变未能及时补偿因驱动电压幅值改变而对转速造成的影响，直接表现为系统转速控制偏差的增大。

这里，导致转速偏差增大的扰动，即电压幅值变化，是为实现效率优化而人为加入的，因而可以考虑在调节电压幅值的同时，增设“转速前馈控制器”，进行前馈控制，以降低电压幅值扰动对转速控制效果的影响。前馈控制通常采用开环控制方式对外加扰动进行主动的事先补偿。它可以在转速出现偏差之前就产生控制作用，从源头上减小可能产生的转速偏差。

根据系统特性及补偿目的的不同，前馈控制可以有不同的结构和实现形式。由于超声波电机非线性明显，如果切除转速闭环控制器，单独采用开环的前馈补偿控制，难以实现准确补偿。因而，本系统中的前馈补偿被设计为与转速闭环控制同时作用。基于这一想法，设计转速前馈控制器如图1所示，它的输出a(k)与转速控制器输出的a0(k)相叠加，得到总的输出控制量u(k)（频率值），作为快速减小转速误差所需要的驱动频率数值，通过“频率调节单元”输出给“相移PWM发生器”。

实验表明，上述效率优化控制方法有效、可靠。图2给出了转速给定值Nref=90r/min时的效率优化过程实测曲线。

Claims

1.一种效率优化控制的超声波电机系统，包括转速闭环与驱动电压闭环，所述转速闭环包括所述超声波电机及其H桥驱动电路，相移PWM信号发生器对所述H桥驱动电路提供控制信号，所述相移PWM信号发生器的输入端分别连接转速闭环的频率调节单元的输出端和驱动电压闭环的占空比调节单元的输出端，其特征在于，所述驱动电压闭环的输入端设置有效率优化控制器，所述转速闭环中设有用于降低效率优化控制对转速控制的影响、对转速偏差进行补偿的转速前馈控制器；所述转速前馈控制器的一个输入端连接转速闭环的输入端，另一个输入端连接所述驱动电压闭环的输入端，输出端连接在所述频率调节单元的输入端上。

2.根据权利要求1所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述转速闭环的超声波电机上设有转速测量模块，该模块测量电机转速，并且将转速信号输出到一个转速反馈比较器的一个输入端，所述转速反馈比较器的另一个输入端接收转速给定值（Nref(k)），输出端连接一个转速控制器的输入端，所述转速控制器的输出端与所述转速前馈控制器的输出端均连接一个频率比较器，所述频率比较器连接在所述转速控制器与所述频率调节器之间，该频率比较器的一个输入端连接所述转速控制器的输出端，其另一个输入端连接所述转速前馈控制器的输出端，其输出端通过一个频率调节电压连接所述相移PWM信号发生器的对应输入端。

3.根据权利要求1所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述驱动电压闭环由输出给定驱动电压（Uref）的外环和调节电机驱动电压的内环构成，该内环包括A、B两相相同的电压控制器，所述两相电压控制器的输出端分别连接所述占空比调节器的输入端，所述占空比调节器的输出端连接相移PWM控制信号发生器的对应输入端，为相移PWM控制信号发生器提供驱动电压幅度控制信号，A、B相电压控制器各自的输入端分别连接一个驱动电压比较器的输出端，每个驱动电压比较器的两个输入端分别接收各自相的实际驱动电压与给定驱动电压（Uref），并将两输入信号做减法，使生成的电压误差作为输出，作为对应A相或B相电压控制器的输入信号；

所述外环包括效率优化控制器，效率优化控制器的一个输入端连接一个系统输入功率反馈模块的输出端，另一个输入端接收给定驱动电压初始值（Uref(0)），其输出端连接所述A、B相驱动电压比较器的输入端，为所述A、B相驱动电压比较器提供所述给定驱动电压（Uref）；所述系统输入功率反馈模块输出系统输入功率变化量的反馈值，提供给效率优化控制器。

4.根据权利要求2所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述转速测量模块由一个旋转编码器与一个转速测量反馈单元构成，旋转编码器固定装配在超声波电机转轴上，旋转编码器输出端连接转速测量反馈单元的输入端，转速测量反馈单元输出端连接所述转速反馈比较器；

旋转编码器输出频率正比于电机转速的方波信号，输出给所述转速测量反馈单元，所述转速测量反馈单元将接收到的方波信号转化为电机转速信号，输出给转速反馈比较器。

5.根据权利要求3所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述系统输入功率反馈模块包括一个系统输入电流比较器，其输入端连接一个系统输入电流反馈单元，所述系统输入电流反馈单元检测并记录输入电流值，将当前时刻与前一时刻的电流测量值输出给所述系统输入电流比较器，由系统电流比较器生产当前时刻的输入电流变化量（Δi(k)），作为代表输入功率变化量的反馈值。