CN103607149A - 一种超声电机舵伺服系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声电机舵伺服系统及其控制方法；超声电机舵伺服系统包括控制器、驱动器、超声电机伺服机构、控制信号接口、比较器和孤极反馈电路；所述控制器的第一输入端与所述控制信号接口连接，所述控制器的第二输入端与所述比较器的输出端连接，所述控制器的第三输入端与所述超声电机伺服机构的第一输出端连接；所述驱动器的输入端连接至所述控制器的输出端；所述超声电机伺服机构的输入端与所述驱动器的输出端连接；所述孤极反馈电路的输入端与所述超声电机伺服机构的第二输出端连接，所述孤极反馈电路的输出端与所述比较器的输入端连接。本发明具有低速性能好，响应速度快，抗电磁干扰强的特点。

Description

一种超声电机舵伺服系统及其控制方法

技术领域

本发明属于机电控制技术领域，更具体地，涉及一种超声电机舵伺服系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展阶段，新的舵伺服系统对精确性和稳定性的要求也不断提高。

目前的舵伺服系统多采用直流电机控制，其控制方法相对简单且控制理论相对成熟，也有不错的控制效果，但是在很多具有特殊应用要求的舵伺服领域，比如精确制导武器，微型舵系统等，这类电机往往会因为其低速性能差、抗电磁干扰能力弱等固有缺点而无法满足舵伺服系统的要求，直流电机舵伺服系统的固有缺陷很难得到有效解决。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种具有低速好、力矩大、动态响应快以及断电自锁功能的超声电机舵伺服系统及其控制方法。

本发明提供的超声电机舵伺服系统，包括控制器、驱动器、超声电机伺服机构、控制信号接口、比较器和孤极反馈电路；所述控制器的第一输入端与所述控制信号接口连接，所述控制器的第二输入端与所述比较器的输出端连接，所述控制器的第三输入端与所述超声电机伺服机构的第一输出端连接；所述驱动器的输入端连接至所述控制器的输出端；所述超声电机伺服机构的输入端与所述驱动器的输出端连接；所述孤极反馈电路的输入端与所述超声电机伺服机构的第二输出端连接，所述孤极反馈电路的输出端与所述比较器的输入端连接。

更进一步地，驱动器包括依次连接的驱动电路和变压器。

更进一步地，所述孤极反馈电路包括比较单元U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、第一可调电阻R11、第二可调电阻R12、电容C4、电容C6、数字控制模拟开关U2和二极管D1；所述第一可调电阻R11的一端通过所述电容C4与所述超声电机伺服机构的第二输出端连接，第一可调电阻R11的另一端通过电阻R4接地；所述二极管D1的阳极连接至所述第一可调电阻R11的可调端，所述二极管D1的阴极通过依次串联连接的电阻R2和电阻R1连接至+15V电源；所述电阻R3连接在所述二极管D1的阴极与地之间，所述电容C6与所述电阻R3并联连接；所述数字控制模拟开关U2的第二比较输入端Z1通过依次串联连接的电阻R5、第二可调电阻R12和电阻R6连接至所述数字控制模拟开关U2的第一比较输入端Z0；所述第二可调电阻R12的可调端连接至所述比较单元U1A的正相输入端，所述比较单元U1A的正相输入端还与所述电阻R1和电阻R2的串联连接端连接；所述比较单元U1A的反相输入端与其输出端连接；所述比较单元U1A的输出端与所述比较器的输入端连接。

更进一步地，所述超声电机伺服机构包括：超声电机、两级齿轮减速机构和信号反馈单元；所述超声电机用于提供初始动力及转速；所述两级齿轮减速机构用于放大力矩并降低转速；所述信号反馈单元用于反馈输出轴位置信号。

本发明还提供了一种超声电机舵伺服系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)通过CAN通讯接口接收位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并对其进行比例积分运算处理获得误差控制量；

(2)判断所述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；

(3)输出第一PWM控制信号并控制驱动器输出的用于驱动超声电机伺服机构的A相驱动信号超前B相驱动信号相位90°；

(4)输出第二PWM控制信号并控制驱动器输出的用于驱动超声电机伺服机构的A相驱动信号滞后B相驱动信号相位90°；

(5)根据所述位置参考值判断是否到达当前位置，若是则关闭PWM控制信号；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。其中当误差控制量为0时，则到达当前位置。

更进一步地，在步骤(1)中根据公式 $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+K_d(\mathrm{speedref}-\mathrm{speedact})$ 进行比例积分运算处理；u(k)为误差控制量，K_p为比例系数；K_d为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为速度参考值，speedact为实际速度反馈值，

为误差积分环节。

本发明提供的基于超声电机的舵伺服系统与传统舵伺服系统相比，具有低速性能好，响应速度快，抗电磁干扰强等特点。由于超声电机存在温漂问题，从而影响电机转速控制，因此本发明提供了相应满足要求的孤极反馈电路，通过孤极反馈控制技术对超声电机温度漂移而产生的转速偏差进行补偿，同时利用相位控制驱动技术控制驱动信号的相位90°超前、滞后控制电机正反转，简化了舵机换向的电路。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统的模块结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统中控制信号流程图；

图3是本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统中孤极反馈电路的具体电路图；

图4是本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统控制方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明利用超声电机驱动控制技术实现超声电机舵伺服系统；系统给定信号和位置反馈信号经过数字信号处理电路后，产生方向控制信号和控制信号，方向信号经光电隔离后控制电机转向。同时控制信号经光耦隔离、放大后调整电机驱动频率，并通过推挽型DC／DC升压变换器、半桥型DC／AC逆变器功率驱动电路直接驱动超声电机旋转，经过减速机构带动输出轴和位置传感器运动，并通过位置传感器获得位置反馈信号，从而控制输出轴偏转到预定的角度。其中，由位置传感器产生的位置信号反馈到控制器形成舵机位置控制环；孤极反馈信号则被用于产生超声电机速度反馈信号，控制驱动超声电机的工作频率以改变电机的转速，从而实现超声电机的转速闭环控制。

本发明与传统的电磁型电机伺服系统相比，本发明实施例采用了全数字化控制、孤极反馈技术及超声伺服技术等，从而使该系统具有了低速好、力矩大，动态响应快、断电自锁等特点。

在本发明实施例中，数字控制器将控制信号与反馈信号经控制器的控制算法计算、调制后产生相位差90°的输出信号，通过驱动器驱动电机，以实现对舵机闭环控制。由于超声电机工作电压峰峰值一般要达到几百伏，而供电电压为低压直流电源VCC，所以需要一个升压电路，由于推挽电路中开关管是共地的，不需要隔离驱动，所以驱动电路简单，同时具有输入直流电压低和变压器利用率高的优点，故采用推挽DC／DC变换器把直流电源的低电压提高到超声电机所需的高电压。当电机运行温度漂移时，孤极反馈信号值发生变化，与设定的比较值的差值亦发生变化，经过数字处理器和驱动电路可重新调节电机的驱动信号以补偿温度漂移而产生的转速偏差，通过变频及自动频率跟踪功能，以实现超声电机运行转速的恒定，从而实现超声电机的转速闭环控制。

本发明还利用孤极反馈电路，超声电机减速机构，位置传感装置能够与超声电机很好的结合，实现高效的运转与实施精确的反馈，从而大幅提高超声电机舵伺服系统的精度与稳定性。

如图1所示，本发明实施例提供超声电机舵伺服系统包括：包括控制器1、驱动器2、超声电机伺服机构3、控制信号接口4、比较器5和孤极反馈电路6；其中控制器1的第一输入端与控制信号接口4连接，控制器1的第二输入端与所述比较器5的输出端连接，控制器1的第三输入端与超声电机伺服机构3的第一输出端连接；驱动器2的输入端连接至控制器1的输出端；超声电机伺服机构3的输入端与驱动器2的输出端连接；孤极反馈电路6的输入端与超声电机伺服机构3的第二输出端连接，孤极反馈电路6的输出端与比较器5的输入端连接。

如图2所示，驱动器2包括依次连接的驱动电路和变压器。驱动电路的输入端与控制器的输出端连接，变压器的输出端与超声电机伺服机构连接，输出用于驱动超声电机伺服机构的A相驱动信号和B相驱动信号。

如图3所示，孤极反馈电路6包括比较单元U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、第一可调电阻R11、第二可调电阻R12、电容C4、电容C6、数字控制模拟开关U2和二极管D1；第一可调电阻R11的一端通过所述电容C4与所述超声电机伺服机构3的第二输出端连接，第一可调电阻R11的另一端通过电阻R4接地；所述二极管D1的阳极连接至所述第一可调电阻R11的可调端，所述二极管D1的阴极通过依次串联连接的电阻R2和电阻R1连接至+15V电源；电阻R3连接在二极管D1的阴极与地之间，电容C6与电阻R3并联连接；数字控制模拟开关U2的第二比较输入端Z1通过依次串联连接的电阻R5、第二可调电阻R12和电阻R6连接至数字控制模拟开关U2的第一比较输入端Z0；第二可调电阻R12的可调端连接至比较单元U1A的正相输入端，比较单元U1A的正相输入端还与电阻R1和电阻R2的串联连接端连接；比较单元U1A的反相输入端与其输出端连接；比较单元U1A的输出端与所述比较器的输入端连接。

本发明提供的基于超声电机的舵伺服系统与传统舵伺服系统相比，具有低速性能好，响应速度快，抗电磁干扰强等特点。由于超声电机存在温漂问题，从而影响电机转速控制，因此本发明中，设计了相应满足要求的孤极反馈电路，通过孤极反馈控制技术对超声电机温度漂移而产生的转速偏差进行补偿，同时利用相位控制驱动技术控制驱动信号的相位90°超前、滞后控制电机正反转，简化了舵机换向的电路设计。

在本发明实施例中，超声电机伺服机构(3)包括：由超声电机、两级齿轮减速机构以及信号反馈单元构成；其中，超声电机用于提供初始动力及转速，两级齿轮减速机构起放大力矩降低转速作用，信号反馈单元用于反馈输出轴位置信号，从而实现系统闭环。

其中信号反馈单元包括位置反馈和孤极反馈电路；其中位置反馈单元敏感伺服机构角度位置，为伺服机构闭环提供当前位置信号，孤极反馈电路通过与超声电机速度反馈信号进行比较，将比较值进行放大、滤波处理后提供给数字控制器进行处理，以满足对当前速度的调整。

其中，超声电机(Ultrasonic Motor，USM)是利用压电材料具有的逆压电效应，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或其它方式运动的驱动装置，使用超声电机设计的舵伺服系统具有低速大力矩、电磁兼容性好、停电自锁等优点，且其不足之处：谐振频率受温漂影响、控制技术要求高。

在本发明实施例中，控制器1可以采用DSP数字信号处理器、CAN通讯接口、驱动器、比较器电路以及孤极反馈信号处理电路。伺服系统数字控制器通过CAN通讯接口接收数字控制量，并通过AD7606芯片采样位置反馈电压信号和孤极电压反馈信号，经控制器运算后产生可调频率的两相相差90度的正弦信号给驱动器，驱动器2主要由推挽DC／DC变换器把直流电源的低电压提高到超声电机所需的高电压，以驱动超声电机。

本发明提供的超声电机舵伺服系统的优点：采用本发明设计的数字超声电机舵伺服机构及孤极反馈电路，具有抗干扰能力强、抑制温漂作用好、低速力矩输出大、动态响应速度快、断电自锁(省去制动闸保持力矩，简化定位控制)等。

本发明还提供了一种超声电机舵伺服系统的控制方法，包括下述步骤：

(1)通过CAN通讯接口接收位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并对其进行PID控制算法运算处理，从而获得误差控制量；

(2)判断所述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；

(3)输出第一PWM控制信号并控制A超前B相位90°；

(4)输出第二PWM控制信号并控制A滞后B相位90°；

(5)根据所述位置参考值判断是否到达当前位置，若是则关闭PWM控制信号；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。

其中，在步骤(1)中根据公式 $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+K_d(\mathrm{speedref}-\mathrm{speedact})$ 计算误差控制量；其中u(k)为误差控制量，K_p为比例系数；K_d为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为速度参考值，speedact为实际速度反馈值，

为误差积分环节。

本发明提供的控制方法的优点：本设计采用的PI控制算法具有控制精度高、并通过相位控制电机旋转方向，简化硬件换向信号的设计、采用正弦波信号进行控制，提供电机运行的平稳性、通过对孤极反馈信号的检测，保证了电机速度达到控制要求。本发明中，用软件实现大部分硬件的功能，做到硬件的软件化，增加了系统的灵活性。同时，为后续研究超声电机的频率跟踪及电机速度控制，可以在电路硬件不作大的调整情况下，通过修改软件的方法完成上述功能，从而大大缩短电路的研发周期。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统及其控制方法，现参照说明书附图1-图4并结合具体实例详述如下：

超声电机舵伺服系统包括控制器1、驱动器2、超声电机伺服机构3、控制信号接口4、比较器5和孤极反馈电路6。具体连接关系：控制器1第一输入信号流与控制信号接口4连接、第二输入信号流与比较器5、第三输入信号流与超声电机伺服机构3的第一输出信号流连接、第一输出信号流与驱动器2连接；超声电机伺服机构3第一输入信号流与驱动器2输出信号流连接、第二输出信号流与孤极反馈电路6连接；比较器5输入信号流与孤极反馈电路6输出信号流连接。

控制器1通过控制信号接口4的CAN接口接收位置控制电压信号，并与位置反馈电压信号及速度反馈信号经控制算法处理后产生控制量，经驱动器输出给超声电机伺服机构3，从而完成位置闭环控制。

具体来讲，控制器1采用DSP数字信号处理器TMS320F2812为处理单元，接收CAN通讯接口位置参考值与位置反馈信号及速度反馈信号进行运算，产生误差控制量。并通过误差值对舵机需要旋转方向进行判断，根据电机旋转方向控制A相超前或滞后B相的相位差90°，以满足超声电机运转所需要的两路电压信号的相位要求。PWM经驱动器2内的光耦隔离放大后，通过推挽型DC／DC升压变换器、半桥型DC／AC逆变器功率驱动电路输出两路驱动电机压电振子振动的正弦和余弦电压信号，驱动电机旋转。舵系统经过减速器带动输出轴和位置传感器运动，同时位置传感器提取位置信号反馈到控制器，形成舵机位置控制环。

本发明解决了传统电磁式舵伺服系统存在低速性能差、抗电磁干扰能力弱的问题，但超声电机自身缺陷主要存在于谐振频率受温漂影响、控制技术要求高，因此本设计采用了数字式设计方法，减少复杂电路设计，通过软件算法实现舵伺服系统的控制。同时，设计了孤极反馈电路解决电机在温度变化而影响超声电机的速度。

图3孤极反馈电路原理图，如图3所示，其工作原理：Vf来自电机的孤极，反映电机振动状态的直流电压信号，它是孤极产生与振动同频的电压信号经过滤波而得到。当电机运行温度漂移时，Vf值发生变化，与设定的比较值的差值亦发生变化，经过DSP控制器和驱动电路可重新调节电机的驱动信号以补偿温度漂移而产生的转速偏差，通过变频及自动频率跟踪功能，从而实现超声电机运行转速的精确控制。

图4示出了本发明实施例提供的超声电机舵伺服系统控制方法的实现流程，如图4所示，DSP数字信号处理器采用CCS3.0软件开发平台。控制软件首先对EV事件管理器、CAN通讯、相关GPIO及定时器等初始化。初始化完成后，DSP数字信号处理器接收CAN通讯接口位置参考值与位置反馈信号及速度反馈信号进行运算，产生误差控制量。通过误差值对舵机需要旋转方向进行判断，控制器1根据误差量做出运算并输出4路有一定相位差的20KHz～60KHz的PWM。本发明实施例中，使用事件管理器EVA的CMR2和事件管理器EVB的CMR4产生PWM，两个定时器启动时，需要对初始计数器进行设置，从而实现PWM3超前或滞后PWM7相位相差90°，以满足超声电机运转所需要的两路电压信号的相位要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声电机舵伺服系统，其特征在于，包括控制器(1)、驱动器(2)、超声电机伺服机构(3)、控制信号接口(4)、比较器(5)和孤极反馈电路(6)；

所述控制器(1)的第一输入端与所述控制信号接口(4)连接，所述控制器(1)的第二输入端与所述比较器(5)的输出端连接，所述控制器(1)的第三输入端与所述超声电机伺服机构(3)的第一输出端连接；

所述驱动器(2)的输入端连接至所述控制器(1)的输出端；

所述超声电机伺服机构(3)的输入端与所述驱动器(2)的输出端连接；

所述孤极反馈电路(6)的输入端与所述超声电机伺服机构(3)的第二输出端连接，所述孤极反馈电路(6)的输出端与所述比较器(5)的输入端连接。

2.如权利要求1所述的超声电机舵伺服系统，其特征在于，所述驱动器包括依次连接的驱动电路和变压器。

3.如权利要求1或2所述的超声电机舵伺服系统，其特征在于，所述孤极反馈电路(6)包括比较单元U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、第一可调电阻R11、第二可调电阻R12、电容C4、电容C6、数字控制模拟开关U2和二极管D1；

所述第一可调电阻R11的一端通过所述电容C4与所述超声电机伺服机构(3)的第二输出端连接，第一可调电阻R11的另一端通过电阻R4接地；

所述二极管D1的阳极连接至所述第一可调电阻R11的可调端，所述二极管D1的阴极通过依次串联连接的电阻R2和电阻R1连接至+15V电源；

所述电阻R3连接在所述二极管D1的阴极与地之间，所述电容C6与所述电阻R3并联连接；

所述数字控制模拟开关U2的第二比较输入端Z1通过依次串联连接的电阻R5、第二可调电阻R12和电阻R6连接至所述数字控制模拟开关U2的第一比较输入端Z0；

所述第二可调电阻R12的可调端连接至所述比较单元U1A的正相输入端，所述比较单元U1A的正相输入端还与所述电阻R1和电阻R2的串联连接端连接；所述比较单元U1A的反相输入端与其输出端连接；所述比较单元U1A的输出端与所述比较器的输入端连接。

4.如权利要求1所述的超声电机舵伺服系统，其特征在于，所述超声电机伺服机构(3)包括：超声电机、两级齿轮减速机构和信号反馈单元；

所述超声电机用于提供初始动力及转速；所述两级齿轮减速机构用于放大力矩并降低转速；所述信号反馈单元用于反馈输出轴位置信号。

5.一种超声电机舵伺服系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过CAN通讯接口接收位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并对其进行比例积分运算处理获得误差控制量；

(2)判断所述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；

(3)输出第一PWM控制信号并控制A相驱动信号比B相驱动信号的相位超前90°；

(4)输出第二PWM控制信号并控制A相驱动信号比B相驱动信号的相位滞后90°；

(5)根据所述位置参考值判断是否到达当前位置，若是则关闭PWM控制信号；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在步骤(1)中根据公式 $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+K_d(\mathrm{speedref}-\mathrm{speedact})$ 进行比例积分运算处理；u(k)为误差控制量，K_p为比例系数；K_d为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为速度参考值，speedact为实际速度反馈值，

为误差积分环节。

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