CN104660098A - 基于低频pwm和单神经元自适应的超声波电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统。本系统以行波超声波电机为控制对象，采用系统信息接口将电机的转向、转速及转角信息经串口驱动电路送入高速微处理器DSP的串行通讯SCI接口，DSP根据输入的指令和来自电机运行时的反馈信息，计算出闭环控制所需的低频PWM信号，并通过SPI通讯，向高速微处理器CPLD输入DDS信号发生器的频率、相位、幅值控制字。DSP输出的低频PWM信号与CPLD的输出信号经过基于DDS的对称PWM信号发生单元处理后送至USM驱动单元，将四路对称PWM信号作用于两相推挽逆变电路及匹配电路，输出具有一定幅值、频率和相位差的两相正弦电压，驱动超声波电机。本系统具有电源利用率高、调速范围宽、电机运行状态稳定、系统具有自适应能力等特点。

Description

基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统

技术领域

本发明涉及一种两相超声波电机，具体是涉及基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统。

背景技术

超声波电机结构及运行原理不同于传统的电磁电机，它是利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，从而把电能转换为弹性体的超声波振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。由于包含压电能量转换、摩擦能量传递等过程，超声波电机非线性及内部多变量耦合较为严重。PID、自适应、滑模变结构、神经网络、模型参考、逆模型、H^∞等方案，都已被用于超声波电机的运动控制，改善了超声波电机运行过程中的谐振频率点漂移、温度补偿等问题，提高了速度稳定性与跟踪性能，但是控制效果仍有较大的改进余地。研究合适的驱动控制电路及适当的控制策略，提高电机运动控制系统的运行精度、效率及可靠性依然是重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种电源利用率高、调速范围宽、电机运行状态稳定、系统具有自适应能力、便于数字化方案实现的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统。它包括系统电源、超声波电机、LCD液晶屏、开关电源电路、隔离驱动电路、隔离放大电路、双推挽逆变电路、整流电路、光电编码单元、与运算电路、串口驱动电路、系统信息接口以及高速微处理器DSP和CPLD。

所述高速微处理器DSP包括具有模数转换功能的A/D转换器以及输出端口、通用I/O接口(GPIO)、定时器、看门狗、正交解码单元、PWM模块、电可擦除存储器、通信用的CAN总线、异步串行总线SCI及同步串行总线SPI等。处理器运行主频为150MHz，能高速处理外来信息及运算，为系统可靠运行提供保证。其中，内置正交解码单元配合光电编码单元，实现了对电机运行速度和转角的获取。另外，12位精度的A/D模数转换器，为系统精确地获取超声波电机的孤极反馈电压提供了保证；

所述系统电源连接具有过压和过流保护的开关电源电路，开关电源电路为系统提供12VDC、5VDC、3.3VDC三种状态的电源，其中12VDC开关电源为USM驱动电路提供直流稳压电源，5VDC开关电源为隔离驱动电路、光电编码单元以及串口驱动电路提供直流稳压电源。3.3VDC开关电源为高速微处理器DSP和CPLD提供直流稳压电源，所使用的开关电源都是具有抗高电压及防过电流的高效电源，且有很好的节能效果；

所述高速微处理器DSP的串行通讯SCI接口经串口驱动电路与系统信息接口连接，实现系统运行指令的输入和运行状态的输出。高速微处理器可以通过串行通讯SCI接口把电机的运行转向、转速、转角、孤极反馈电压向外传输。同样也可以通过系统信息接口、串行通讯SCI接口向高速微处理器输入电机运行指令控制电机的各种运行状态；

所述隔离驱动电路是为了使高速微处理器输出的信号既能有效传递又能使各自的电源相互隔离，提高系统的安全可靠性；

所述串口驱动电路是将前级输入的信号处理为后级所需要的信号类型，使信号有效传递；

所述双推挽逆变电路用来产生超声波的两相驱动电压；

所述LCD液晶屏，它用来显示电机的运行信息，通过液晶屏可以观察到电机的转向、转速、转角和孤极反馈电压；

所述电可擦除存储器记录电机运行状态的信息，包括电机运行时的转向、转速、转角、孤极反馈电压等，目的是为了当系统出现异常时分析系统异常原因。

本发明以两相超声波电机为控制对象，根据低频PWM信号对超声波电机两相驱动电压的相位进行设置(电机的正转、反转和停止)、根据低频PWM信号的占空比设置(电机的转速)，通过高速微处理器DSP产生低频PWM信号，并与CPLD的输出PWM信号进行逻辑与运算，依次经隔离驱动电路、双推挽逆变电路驱动超声波电机，电机的运行状态(转向、转速、转角、孤极反馈电压)通过串行通讯接口、串口驱动电路、系统信息接口向外传输，同时可用LCD液晶屏显示。电可擦除存储器记录电机运行状态信息(电机运行时的转向、转速、转角、孤极反馈电压等信息)；在系统出现紧急状态时，也可以通过系统信息接口、串口驱动电路、串行通讯接口向高速微处理器DSP发送控制指令来控制电机的运行，保证系统的安全可靠运行。本系统具有电源利用率高、调速范围宽、电机运行状态稳定、系统具有自适应能力等特点。

附图说明

图1是基于DDS的超声波电机驱动控制系统结构图

图2是基于DDS的对称PWM信号发生单元图

图3是双推挽逆变电路图

图4是单神经元自适应PID控制器结构图

图5是单神经元自适应PID控制程序流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

1.开关电源电路

本控制系统的系统电源连接具有过压和过流保护的开关电源电路，为系统提供12VDC、5VDC、3.3VDC三种状态的电源，其中12VDC开关电源为USM驱动电路提供直流稳压电源，5VDC开关电源为隔离驱动电路、光电编码单元以及串口驱动电路提供直流稳压电源。3.3VDC开关电源为高速微处理器DSP和CPLD提供直流稳压电源，所使用的开关电源都是具有抗高电压及防过电流的高效电源，且有很好的节能效果；

2.高速微处理器的选择

由于本系统采用的单神经元自适应控制策略控制低频PWM信号占空比的方法运算量较大，因此选用高速微处理器TMS320F28335作为核心控制单元。另外选用CPLD作为核心执行单元。高速微处理器DSP根据系统信息接口输入的指令和来自电机运行时的反馈信息，一方面计算出电机闭环控制所需的低频PWM信号，另一方面通过SPI通讯，向高速微处理器CPLD输入DDS信号发生器的频率、相位、幅值控制字。DSP输出的低频PWM信号与CPLD的输出信号经过基于DDS的对称PWM信号发生单元处理后送至USM驱动单元，将四路对称PWM信号作用于两相推挽逆变电路及匹配电路，输出具有一定幅值、频率和相位差的两相正弦电压，从而驱动超声波电机。其中，隔离驱动电路是为了使高速微处理器输出的信号既能有效传递又能使各自的电源相互隔离，提高了系统的安全可靠性；串口驱动电路是将前级输入的信号处理为后级所需要的信号类型使信号有效地传递；双推挽逆变电路为电机提供所需的两相驱动电压，实现电机无级调速，提高电机运行的稳定性；

3.电机孤极反馈电压信号的测量

本控制系统的孤极反馈电压信号经过整流电路处理后与高速微处理器DSP的12位A/D转换器连接，因此可以精确地测量系统中的孤极反馈电压信号，为精确地了解电机运行状态、进行故障分析奠定了基础；

4.电机转向、转速和转角的测量

本控制系统中电机的转向由电机两相驱动电压的相位差决定。至于转向的辨别，可以通过光电编码器A相信号的上升沿对应B相信号的高低电平来判断：当A相信号的上升沿对应B相信号的低电平时，电机为正转；当A相信号的上升沿对应B相信号的高电平时，电机为反转。

本系统采用的光电编码器为2500线，超声波电机转动一圈，光电编码器发出2500个脉冲，经DSP的QEP电路四倍频后送到通用定时器T4的时钟脉冲数为10000，也就是T4每计数一个脉冲电机旋转0.0360度，所以该定位方法的定位精度达到0.0360度。

根据实际要求和上述的方法，将电机需要转动的角度换算成：QEP电路四倍频后所得脉冲序列的个数N1。当通用定时器T4实际计数的脉冲数N2达到指定位置所需要的脉冲数N1时，使超声波电机停止转动，从而获得设置的转角。

根据单位时间内的脉冲数即可获取转速。转速n＝(计数脉冲数/10000)*60/计时时间。其中，计时时间单位为s，转速单位为r/min。

5.运行状态的显示

本控制系统通过高速微处理器DSP的输出端口将电机运行时的转向、转速、转角、孤极反馈电压送至与隔离驱动电路连接的LCD液晶屏，这样就能通过LCD液晶屏观察到电机的运行情况；

6.串行通讯信息

本控制系统的高速微处理器DSP的串行通讯接口经串口驱动电路与系统信息接口连接，实现系统运行状态的输入和输出。作为输出高速微处理器DSP可以通过串行通讯SCI接口把电机的电机运行时的孤极反馈电压、电机的转向、转速和转角等向外传输；同样也可以通过系统信息接口、串行通讯SCI接口向高速微处理器DSP输入电机运行指令控制电机的各种运行状态；

7.电可擦除存储器

电可擦除存储器记录电机运行状态的信息(包括电机转向、转速、转角、孤极反馈电压信息等)，设置它的目的是为了当系统出现异常时分析系统异常原因。

工作时，将整个系统连接好后，接上系统电源，开关电源电路处于工作状态，并将各个电压状态的电源提供到各功能模块电路。

采用系统信息接口控制电机时，将电机的转向、转速及转角控制信号经串口驱动电路送入高速微处理器DSP的串行通讯SCI接口，高速微处理器DSP根据输入的指令和来自电机运行时的反馈信息，一方面计算出所需的低频PWM信号，另一方面通过SPI通讯，向高速微处理器CPLD输入DDS信号发生器的频率、相位、幅值控制字。DSP输出的低频PWM信号与CPLD的输出信号经过基于DDS的对称PWM信号发生单元处理后送至USM驱动单元，将四路对称PWM信号作用于两相推挽逆变电路及匹配电路，输出具有一定幅值、频率和相位差的两相正弦电压，驱动超声波电机，电机将运行至所输入的速度。另外，液晶屏上将显示电机当前的转向、转速、转角、孤极反馈电压，同时电机运行状态的信息被记录到电可擦除存储器。

本系统采用高速微处理器的全数字控制，以两相超声波电机为控制对象，采用基于DDS的超声波电机驱动控制装置以及单神经元自适应PID控制方法，设计并实现了由高速微处理器DSP计算输出超声波电机闭环控制所需的低频PWM信号。通过基于DDS的对称PWM信号发声单元处理送至USM驱动电路实现对超声波电机的闭环控制。本系统具有电源利用率高、调速范围宽、电机运行状态稳定、系统具有自适应能力、便于数字化方案实现等优点；本系统采用模块化程序设计思想，采用单神经元自适应算法来实现PID参数的在线调整，即实时控制低频PWM信号的占空比，而权值调整采用有监督的Hebb学习算法(积分、比例、微分的学习速率由实验来确定)。通过低频PWM信号的通断控制电机两相驱动电压的相位差，进而控制电机的正向、反向运行和停止。低频PWM信号的占空比控制电机运行速度。

本系统电机运行时的转向、转速、转角、孤极反馈电压可以用串行输出端口向外传输，也可以用液晶显示屏来显示，还可以通过系统信息接口、串行驱动电路、串行通讯接口向高速微处理器DSP输入电机运行指令控制电机的各种运行状态。

Claims (8)

1.一种基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

它包括系统电源、超声波电机、LCD液晶屏、开关电源电路、隔离驱动电路、隔离放大电路、双推挽逆变电路、整流电路、光电编码单元、与运算电路、串口驱动电路、系统信息接口以及高速微处理器DSP和CPLD。

2.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述高速微处理器DSP包括具有模数转换功能的A/D转换器、通用I/O接口(GPIO)、定时器、看门狗、正交解码器、PWM模块、电可擦除存储器、通信用的CAN总线、异步串行总线SCI及同步串行总线SPI等。

3.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述系统电源连接具有过压和过流保护的开关电源电路，开关电源电路为系统提供12VDC、5VDC、3.3VDC三种状态的电源。

4.根据权利要求2所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述高速微处理器DSP的串行通讯SCI接口经串口驱动电路与系统信息接口连接，实现系统运行指令的输入和运行状态的输出；

所述高速微处理器DSP的串行通讯SPI接口经串口驱动电路与CPLD的SPI通信接口连接，实现对DDS信号发生器的频率、相位、幅值控制字的设置；

所述高速微处理器DSP的两位通用GPIO引脚作为DDS信号发生器的频率、相位差、幅值控制字的选择端，识别传送控制字的类型；

所述高速微处理器DSP的PWM模块，其在单神经元自适应算法的控制下产生低频PWM信号，经与CPLD的输出信号逻辑与运算后，接至隔离驱动电路的输入端，其中，单神经元自适应算法来实现PID参数的在线调整，即实时控制低频PWM信号的占空比，而权值调整采用有监督的Hebb学习算法(积分、比例、微分的学习速率由实验来确定)；

所述高速微处理器DSP的ADC模块，用来采集经整流后的超声波电机孤极反馈电压；

所述高速微处理器DSP的电可擦除存储器记录电机运行时的参数及状态信息。

5.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述USM驱动单元，将四路对称PWM信号作用于两相推挽逆变电路及匹配电路，输出具有一定幅值、频率和相位差的两相正弦电压，驱动超声波电机，实现在一个低频PWM信号周期内超声波电机的正、反转、停功能。

6.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述光电编单元与超声波电机相连，将超声波电机的运转信息映射成电信号，并经正交解码单元处理后送至DSP处理，获取超声波电机的转向、转速和转角。

7.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述整流电路，用来对粘贴于超声波电机定子上压电陶瓷片所产生的孤极反馈电压进行整流处理。

8.根据权利要求1所述的基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统，其特征在于：

所述LCD液晶显示屏用来显示电机的运行转向、转速、转角、孤极反馈电压。