CN105450084B - 保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统及其控制方法，属于两相超声电机驱动控制技术领域，本发明为解决现有技术无法保证超声电机持续稳定地工作在最优工作状态的问题。本发明初始频率测定模块用于确定超声电机最优工作状态所对应的工作频率；初始相位检测模块用于确定超声电机以初始频率工作时，第一个采样周期内超声电机的初始相位；相位检测模块用于实时检测超声电机的实时相位数值，驱动频率跟踪实现模块工作；频率跟踪实现模块用于生成驱动电压信号；匹配电路用于将驱动电压信号滤波、放大，然后生成加载至超声电机的信号。本发明用于电机驱动控制。

Description

保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统及其控 制方法

技术领域

本发明属于两相超声电机驱动控制技术领域。

背景技术

作为典型的压电作动器，超声电机性能的好坏直接受限于压电材料性能的优劣。由于在压电陶瓷内、定转子接触界面上以及定转子金属弹性体中的各类损耗的共同作用，在运行过程中，超声电机内部将产生较多热量，这些热量会在较大程度上影响压电材料的包括柔顺常数、压电系数及介电常数在内的众多特性参数，进而导致超声电机性能受到影响。为了抑制因电机温变特性而对输出性能造成的不利影响，研究者开发出了一种行之有效的频率跟踪控制技术，即以保持某些可以用来反映电机某种工作状态的电机输出量恒定为目的，以输入电压频率为控制量，建立对电机工作状态闭环调节的闭环系统，其中常用于反映电机工作状态的反馈量包括电机转速，输入电流与输入电压间的相位差等。然而，现有频率自动跟踪控制技术虽然可保证超声电机稳定工作于某种工作状态，比如保持电机转速或输入功率恒定，但无法保证超声电机持续稳定地工作在某种最优的工作状态下。

另一方面，现有超声电机驱动技术中常使用共振频率或反共振频率作为电机的工作频率，但电机无法在这两个工作点处达到最优工作状态。因此，现有技术中对初始工作点的不当选择是导致电机无法达到最优工作状态的一个最为重要的原因：

①由于电机工作于共振频率时电机内部损耗较高，由此导致内部发热较为严重，进而使得电机特性极不稳定，最终在工程实际中选择工作频率时常常远离共振频率点。

②虽然工作于反共振频率处时，电机内部损耗较低，但是仍然未达到损耗最低的状态，仍然有改进的空间。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术无法保证超声电机持续稳定地工作在最优工作状态的问题，提供了一种保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制方法。

本发明所述保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统，该控制系统包括初始频率测定模块、初始相位检测模块、相位检测模块、频率跟踪实现模块和匹配电路；

初始频率测定模块用于确定超声电机最优工作状态所对应的工作频率，以此工作频率作为初始频率；

初始相位检测模块用于确定超声电机以初始频率工作时，第一个采样周期内超声电机的初始相位；

相位检测模块用于实时检测超声电机输入电流与电压间的相位差，该相位差作为反馈量，与初始相位间的差值作为实时相位数值，实时相位数值驱动频率跟踪实现模块工作；

频率跟踪实现模块用于生成超声电机的驱动电压信号，该驱动电压信号保持超声电机持续工作于损耗最小、受电机温变特性影响最小的最优工作状态；

匹配电路用于将频率跟踪实现模块输出的驱动电压信号进行滤波、放大，然后生成加载至超声电机的信号，加载至超声电机的信号为正弦电压信号。

基于保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统的控制方法，该控制方法的具体过程为：

步骤1、选取一个频段，在选取频段内的稳速条件下测量超声电机的输入功率的频谱特性，选定输入功率最小点对应的频率作为初始工作频率；

步骤2、对超声电机施加两相正交的交变驱动电压，驱动电压的频率值为初始工作频率，记录第一个采样周期内测定的相位值，作为初始相位值；

步骤3、采集当前周期的相位采样值，将相位采样值与初始相位值做差，将差值变换为驱动信号频率值该变量，将频率值该变量与前一采样周期的工作频率做差，所得的差值作为驱动电机的电压信号频率值；

步骤4、通过功率放大，将步骤3获得的电压信号频率值生成两相正交驱动电压信号，驱动超声电机。

本发明的优点：本发明解决了现有技术无法保证超声电机持续稳定地工作在某种最优的工作状态的问题，其中对传统工作频率做了适当的改进，并采用了相位作为反映工作状态的反馈量，从而可通过控制算法，依据相位的变化量，得到工作频率的改变量，最终实现跟踪最优工作状态的目的。本发明的方案可大幅度降低电机损耗，进而降低内部温升，即可提高电机稳定特性，本发明能够用于多种数控系统中，例如机器人、小型云台、相机桅杆等高性能伺服控制场合，具有输入功率小、特性稳定等优点，尤其适用于对调速稳定性要求高且对输入功率敏感的超声电机控制系统。

附图说明

图1是本发明所述保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统的原理框图；

图2是采用Shinsei USR60-E3T型超声电机确定初始工作频率的实验曲线，其中曲线a表示输入功率，曲线b表示相位；

图3是采用Shinsei USR60-E3T型超声电机三种不同初始频率的输入功率曲线图；

图4是采用Shinsei USR60-E3T型超声电机三种不同初始频率的相位曲线图；

图5是采用Shinsei USR60-E3T型超声电机三种不同初始频率的工作频率曲线图；

图6是采用Shinsei USR60-E3T型超声电机三种不同初始频率的转速曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统，该控制系统包括初始频率测定模块、初始相位检测模块、相位检测模块、频率跟踪实现模块和匹配电路；

初始频率测定模块用于确定超声电机最优工作状态所对应的工作频率，以此工作频率作为初始频率；

初始相位检测模块用于确定超声电机以初始频率工作时，第一个采样周期内超声电机的初始相位；

相位检测模块用于实时检测超声电机输入电流与电压间的相位差，该相位差作为反馈量，与初始相位间的差值作为实时相位数值，实时相位数值驱动频率跟踪实现模块工作；

频率跟踪实现模块用于生成超声电机的驱动电压信号，该驱动电压信号保持超声电机持续工作于损耗最小、受电机温变特性影响最小的最优工作状态；

匹配电路用于将频率跟踪实现模块输出的驱动电压信号进行滤波、放大，然后生成加载至超声电机的信号，加载至超声电机的信号为正弦电压信号。

本实施方式中，初始频率测定模块测定出超声电机初始工作频率，初始相位检测模块用于记录运行过程中第一个采样周期内超声电机的初始相位，相位检测模块用于实时检测电机输入电流与电压间的相位差，前述三个模块的输出，即初始频率数值、初始相位数值及实时相位数值共同作为频率跟踪实现模块的三个输入，频率跟踪实现模块的输出为包含控制信息的两相电压，再经匹配电路后，最终施加在超声电机两输入端之上，进而完成了对电机控制。

本实施方式中，初始频率测定模块确定的初始频率为损耗最小、受电机温变特性影响最小的最优工作状态所对应的工作频率。初始相位检测模块确定的初始相位为频率跟踪闭环控制系统的相位的指令值。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，初始频率测定模块确定初始频率的具体过程为：

使超声电机保持恒速状态，测量超声电机的功率的频谱特性，输入功率最小点所对应的工作频率即为初始频率。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，频率跟踪实现模块生成超声电机的驱动电压信号的具体过程为：

采集当前采样周期的相位采样值，将相位采样值与初始相位值做差，将差值变换为驱动信号频率值改变量，将频率值该变量与前一采样周期获得的工作频率做差，所得的差值作为驱动电机信号的频率值，通过功率放大，将该频率值生成两相正交驱动电压信号。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统的控制方法，该控制方法的具体过程为：

步骤1、选取一个频段，在选取频段内的稳速条件下测量超声电机的输入功率的频谱特性，选定输入功率最小点对应的频率作为初始工作频率；

步骤2、对超声电机施加两相正交的交变驱动电压，驱动电压的频率值为初始工作频率，记录第一个采样周期内测定的相位值，作为初始相位值；

步骤3、采集当前周期的相位采样值，将相位采样值与初始相位值做差，将差值变换为驱动信号频率值该变量，将频率值该变量与前一采样周期的工作频率做差，所得的差值作为驱动电机的电压信号频率值；

步骤4、通过功率放大，将步骤3获得的电压信号频率值生成两相正交驱动电压信号，驱动超声电机。

本实施方式中，当电机达到稳速时，输入功率与内部损耗也将达到平衡状态，因而，输入功率最小时对应的工作频率也可同时保证电机内部损耗达到最小，故而可从损耗优化角度称之为最优工作频率。以此工作频率作为频率跟踪控制的初始工作频率，能够保证电机运行过程中始终保持损耗最小、特性最稳定这良好特性。

本实施方式中，电机输入电流与电压间的相位差可以反映电机工作状态受温度影响的变化情况，因而，通过记录初始相位值即可实现对最优工作状态的量化。

本实施方式中，通过实时测量相位，用以反映电机特性的改变情况，并与初始相位进行比较，差值即可作为频率调整的依据。

本发明的工作原理为：在稳速条件下测量超声电机输入功率的频谱特性，以确定初始工作频率；电机工作在初始工作频率时，测定第一个采样周期时的初始相位；根据控制算法，通过实时调节工作频率，达到保持相位与初始相位相等的目的，进而实现频率跟踪控制。

当电机达到稳速时，输入功率与内部损耗也将达到平衡状态，因而，输入功率最小时对应的工作频率也可同时保证电机内部损耗达到最小，故而可从损耗优化角度称之为最优工作频率。依此工作频率作为频率跟踪控制的初始工作频率，即可保证电机运行过程中始终保持损耗最小、特性最稳定这良好特性。

电机输入电流与电压间的相位差可反映电机工作状态受温度影响的变化情况，因而，通过记录初始相位值即可实现对最优工作状态的量化。

通过实时测量相位，用以反映电机特性的改变情况，并与初始相位进行比较，差值即可作为频率调整的依据。

本发明中，为了抑制因电机温变特性而对输出性能造成的不利影响，提出了一种频率跟踪控制技术，即以保持某些可以用来反映电机某种工作状态的电机输出量恒定为目的，以输入电压频率为控制量，建立对电机工作状态闭环调节的闭环系统，其中常用于反映电机工作状态的反馈量包括电机转速、输入电流与输入电压间的相位差。然而，现有频率自动跟踪控制技术虽然可保证超声电机稳定工作于某种工作状态，比如保持电机转速或输入功率恒定，无法保证超声电机持续稳定地工作在某种最优的工作状态下。

本发明解决了现有技术无法保证超声电机持续稳定地工作在某种最优的工作状态的问题，提出了一种可保证超声电机运行过程中转速稳定的同时，还可使输入功率达到最小、效率最大，即可保证电机稳定工作于损耗最小、受电机温变特性影响最小的最优工作状态的频率自动跟踪控制系统。当电机转速恒定时，外部输入的功率将与因电机内部损耗的存在而消耗的功率达到平衡，因此，如若输入功率达到最小，即可间接地反映电机内部损耗将达到最小；进一步地，由于电机内部损耗是电机内部产生热量的主要原因，因此，当电机内部损耗将达到最小时，也可表明电机内部所产生的热量将达到最小；因而，电机温变特性也将得以改善；亦即，在该工作状态下工作时，超声电机各方面特性将受温变特性影响最小。

为了验证输入功率与相位间的对应关系，以行业标准级的日本新生所生产的USR60-E3T型超声电机为实验对象，使电机转速稳定运行于40rpm，对41至43kHz范围内的输入功率及输入电流与电压间的相位差进行测量，整个实验测试三次，最终获得如图2所示的，带有误差带实验曲线。由实验曲线可知，相位变化趋势与输入功率变化趋势相反，并且在42kHz附近，相位达到最大值，而与此同时，输入功率达到最小。实验结果表明，输入功率确实与相位间存在对应关系。

为了验证本发明中所提出的可保持输入功率最小的频率自动跟踪控制系统的控制效果，仍以行业标准级的日本新生所生产的USR60-E3T型超声电机为实验对象，对不同初始工作频率状态下，应用频率自动跟踪控制前后的电机状态进行了测试，整个实验仍然测试三次，最终获得如图3-图6所示的，带有误差带实验曲线。实验开始后，0-5分钟时间段内，对电机不进行任何控制，此时，三种初始频率下对应的电机输入功率、相位、转速都会发生相应的改变。实验开始后，5-15分钟时间段内，对电机施加本发明所提出的频率跟踪控制，此时，通过改变工作频率，以调节相位至初始相位为目的，三种初始频率下对应的电机输入功率、相位、转速都将稳定，并且输入功率及转速都将稳定于0时刻对应的数值，即电机工作状态持续保持至初始频率对应的工作状态下。

图3-图6还可反映出初始工作频率方法选取的正确性。当初始工作频率为42kHz时，在0-5分钟时间段内，电机输入功率逐渐升高，与此同时，转速反而逐渐下降，实验结果表明，当工作一段时间后，由于热量的逐渐累积，电机内部温度逐渐升高，电机特性受其影响，工作点发生了偏移，偏移后的工作点离开了损耗最小的工作状态，使得输入功率随之升高，这一结论也可从其他频率下，输入功率数值较大这一现象中得以验证。

本发明提出了对超声电机稳定控制的新方案，并可进一步构成高性能伺服控制系统。本发明采用新的初始工作频率，并应用相位作为反馈量，最终实现最优频率跟踪控制方法，从而大幅提高了电机稳定性。这种保持输入功率最小的频率自动跟踪控制系统可以在多数数控系统中使用，与现今工业应用的主流系统相比，在运行过程中，可大幅提高超声电机系统稳定性。

Claims (3)

1.保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统，其特征在于，该控制系统包括初始频率测定模块、初始相位检测模块、相位检测模块、频率跟踪实现模块和匹配电路；

初始频率测定模块用于确定超声电机最优工作状态所对应的工作频率，以此工作频率作为初始频率；

初始相位检测模块用于确定超声电机以初始频率工作时，第一个采样周期内超声电机的初始相位；

相位检测模块用于实时检测超声电机输入电流与电压间的相位差，该相位差作为反馈量，与初始相位间的差值作为实时相位数值，实时相位数值驱动频率跟踪实现模块工作；

频率跟踪实现模块用于生成超声电机的驱动电压信号，该驱动电压信号保持超声电机持续工作于损耗最小、受电机温变特性影响最小的最优工作状态；

匹配电路用于将频率跟踪实现模块输出的驱动电压信号进行滤波、放大，然后生成加载至超声电机的信号，加载至超声电机的信号为正弦电压信号；

初始频率测定模块确定初始频率的具体过程为：使超声电机保持恒速状态，测量超声电机的功率的频谱特性，输入功率最小点所对应的工作频率即为初始频率。

2.根据权利要求1所述的保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统，其特征在于，频率跟踪实现模块生成超声电机的驱动电压信号的具体过程为：

采集当前采样周期的相位采样值，将相位采样值与初始相位值做差，将差值变换为驱动信号频率值改变量，将频率值改变量与前一采样周期获得的工作频率做差，所得的差值作为驱动电机信号的频率值，通过功率放大，将该频率值生成两相正交驱动电压信号。

3.基于权利要求1所述保持输入功率最小的超声电机最优频率跟踪控制系统的控制方法，其特征在于，该控制方法的具体过程为：

步骤1、选取一个频段，在选取频段内的稳速条件下测量超声电机的输入功率的频谱特性，选定输入功率最小点对应的频率作为初始工作频率；

步骤2、对超声电机施加两相正交的交变驱动电压，驱动电压的频率值为初始工作频率，记录第一个采样周期内测定的相位值，作为初始相位值；

步骤3、采集当前周期的相位采样值，将相位采样值与初始相位值做差，将差值变换为驱动信号频率值改变量，将频率值改变量与前一采样周期的工作频率做差，所得的差值作为驱动电机的电压信号频率值；

步骤4、通过功率放大，将步骤3获得的电压信号频率值生成两相正交驱动电压信号，驱动超声电机。