CN109039153B - 一种叠加脉冲调速驱动系统及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叠加脉冲调速驱动系统及驱动方法，所述方法中，每个PWM输出端输出占空比为25％的方波脉冲；每个控制周期中，sinA和sinB、cosA和cosB以叠加的形式依次输出m个脉冲，sin端和cos端叠加的脉冲个数为(2*m‑n)个；通过调节m和n的值调节sin端和cos端的驱动频率相同，以调节电机转速和稳定性。通过本发明所提供的叠加脉冲调速驱动方法不但使得实时转速不存在大幅度周期性抖动，电机转速的稳定性有明显的提高外，而且通过一些参数的调节，实现先粗调后细调最终达到设定转速的目的，相比传统运用PID算法只改变频率的方法让电机转速调节到设定的速度所用的时间缩短了很多，提高了电机转速的响应速度。

Description

一种叠加脉冲调速驱动系统及驱动方法

技术领域：

本发明涉及一种叠加脉冲调速驱动系统及驱动方法，属于一种超声电机功率电源技术。

背景技术：

超声电机又称为压电马达，是基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动的新型驱动器。超声波电机涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域,与传统电机相比，其具有低转速、力矩大、响应速度快、断电自锁、纳米级分辨率、无电磁干扰等特点。

传统调节电机转速是通过调频、调压和调相这三种方法进行调节，但这三种方法作为低速驱动方法各有缺点。调频法带载能力有限、频率过高会造成蠕动现象；调相法低速启动困难，存在死区，相位差与速度之间为非线性关系；调压法调速范围小，速度很难达到较低的值。鉴于此，如何设计出一种低速的驱动方法，克服上述现有技术中所存在的缺陷，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。如图2所示，专利号为US2007/0247023的技术方案，在电机的sin和cos这两相设置间断性脉冲输出的方法，通过实验测得转速的数据如图3所示，该方法虽然可得到角秒的低速，但是实时转速存在大幅度周期性抖动；原因是电机运行在连续的周期性起停状态，电机的转速波动由连续运行中的瞬态变成了步进运行中的常态，大惯量系统导致系统的不稳定，出现转速振荡的后果，对电机的速度稳定性具有很大的影响。

如何设计出一种角秒级的低速并且振荡较小稳定性较高的驱动方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题，除此以外，在恒定的负载的情况下如何迅速调节到设定的速度，或者在恒定负载的情况下，电机电机转速能够迅速达到设定值，一直是本领域面临的问题，传统方法是运用PID算法通过调节频率让转子调节到设定的速度，虽然有效，但是随着当前速度与目标速度的差值越大，调节时间越长。然而很多领域要求电机在负载变化后能够迅速恢复原有的速度，通过本发明所提供的驱动方法便可解决上述问题。

发明内容：

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明旨在提供一种叠加脉冲调速控制方法，本发明方法使电机能够输出角秒级的低速并且振荡较小稳定性较高；运用此驱动方法可通过改变参数，使负载变化后让电机转速迅速恢复原有的速度，或者在恒定负载的情况下，让转速迅速调节到设定的速度。

技术方案：为了实现以上所述功能，本发明提供一种叠加脉冲调速控制方法，所述方法包括以下步骤：

见图4，首先，DSP芯片设置四路PWM输出端，分别为sinA、sinB、cosA和cosB。这四路信号分别驱动推挽电路的四个栅极MOS管，再经过升压电路升压后输出放大的方波驱动与电感匹配电路相联的超声电机使其转动。

其次，四路PWM输出端输出脉冲个数n为一个周期，占空比为25％的方波脉冲，每个周期，sinA和sinB、cosA和cosB以叠加的形式依次输出m个脉冲，sin端和cos端叠加的脉冲个数为(2*m-n)个。

最后，通过调节m和n的值可调节电机转速，sin端和cos端的驱动频率相同并且可调，设定的频率的不同最终得到的电机转速和稳定性也不同。

本发明具有如下有益效果:本发明的目的在于提供一种叠加脉冲调速控制方法，使得电机能够输出角秒级的低速并且稳定性较高的转速。运用此驱动方法的另外一个优点是可通过改变m和n的值，在负载变化后能够迅速让电机转速迅速恢复原有的速度，或者在恒定负载的情况下，迅速让电机转速迅速调节到设定的速度。

附图说明：

图1为推挽电路示意图；

图2为现有技术中间断性脉冲调速控制方法的驱动脉冲示意图；

图3为采用现有技术间断性脉冲调速控制方法得到的时间—速度图；

图4为本发明叠加脉冲调速驱动系统结构示意图；

图5为本发明叠加脉冲调速控制方法驱动脉冲示意图；

图6为本发明叠加脉冲调速控制方法起动特征曲线图；

图7为采用本发明技术叠加脉冲调速控制方法得到的时间—速度图；

图8为单一周期脉冲单相脉冲—驱动转矩图；

图9为多周期脉冲单相脉冲—驱动转矩图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1描述本发明的驱动系统的推挽电路，驱动系统包括DSP芯片和推挽电路，DSP芯片设置四路PWM输出端，分别与推挽电路的sinA、sinB、cosA和cosB相连，sin端和cos端为推挽电路的输出端，分别与超声电机的两相相连。

图2描述专利号为US2007/0247023的技术方案中所提供的的两相设置间断性脉冲输出的方法，该方法的每个周期分两个区，sin端和cos端输出脉冲时为启动区，信号sinA和sinB、cosA和cosB是推挽电路两对互补的栅极驱动信号，分别以180度相位输出，其中信号sinA和cosA相位差为90度。sin端和cos端停止输出时为停止区。

图3为采用上述驱动方法得到的实验时间-速度图，实验测得转速为580arc sec/s的情况下，运用间断性脉冲输出的方法可得到角秒的低速，但是实时转速存在大幅度周期性抖动，其原因是电机运行在连续的周期性起停状态，出现转速振荡的后果，对电机转速的稳定性具有很大的影响。

结合图4，图4为本发明提供的叠加脉冲调速驱动系统的结构示意图，DSP芯片设置四路PWM输出端，分别为sinA、sinB、cosA和cosB，这四路信号分别驱动推挽电路的四个栅极MOS管，再经过升压电路将四路信号升压放大后形成方波驱动与电感匹配电路相连的超声电机转动。四路PWM输出端输出脉冲个数n为一个周期，占空比为25％的方波脉冲，信号sinA和sinB、cosA和cosB是推挽电路两对互补的栅极驱动信号，分别以180度相位输出，其中信号sinA和cosA相位差为90度。每个周期，以sinA和sinB两路信号为起始，sinA和sinB两路信号先输出m个脉冲后立即停止输出；在此期间,当sinA和sinB两路信号输出完第(n-m)个脉冲时，cosA和cosB开始输出第一个脉冲，直至第m个脉冲输出完毕，叠加脉冲调速控制方法的一个周期的便结束了，紧接着下一个周期的开始。每个周期sin端和cos端叠加的脉冲个数为(2*m-n)个。

如图5所示，将每个周期分三个区，分别为驻波区、行波区、驻波区，sin端或cos端脉冲单独输出时，定子上压电陶瓷片施加单相正弦波时，定子会产生驻波振动，驻波振动使得转子产生腾空现象，接触面积减少，导致了超声减摩现象，施加的正弦波的频率越接近共振频率点，定子和转子接触时间越短，定子和转子之间的摩擦力越小，提供给测量电机的负载扭矩越小，反之亦然，这一区间称为驻波区；当sin端和cos端脉冲叠加期间，电机两相施加交流电压，超声电机定子上的压电陶瓷片两相驻波叠加后形成行波，定子会产生行波振动，此振动使得电机转子和定子之间产生接触摩擦作用力驱动转子运动，这一区间称为行波区。

见图6，处于行波区时，电机在转子和定子之间产生的接触摩擦作用力的驱动下，转子开始转动直至到稳定转速，见图中的起动特征曲线；行波区结束后进入到驻波区，驻波振动使得转子产生腾空现象，接触面积减少，导致了超声减摩现象，此时转子和定子之间有一定的摩擦力，此摩擦力使得电机在行波区时驱动的转速下滑，见图中的关断特征曲线，下降到一定转速时，又进入到行波区，电机转速又开始上升到稳定转速，周而复始。处于驻波区时速度下滑的快慢与磨察力的大小有关，而摩擦力的大小与电机的驱动频率有关，驱动频率越接近电机的共振频率点，摩擦力就越小，反之亦然。本发明叠加脉冲调速驱动方法与专利号US2007/0247023所述的驱动方法相比，其优势在于输出的转速更加稳定，其结论可通过图3和图7的对比得出。

通过图7和图3的对比，发现本发明的驱动方法与专利号US2007/0247023所提及的驱动方法，其优点是在输出同样的低速时，本发明实施例提供的转速为580arc sec/s角秒，本发明的实时转速不存在大幅度周期性抖动，其电机转速的稳定性相对于后者有明显的提高。

见图8，根据运动方程T_m为驱动转矩，T_L为负载转矩，c为阻尼系数，J为包括转子在内的负载转动惯量，ω为转子的角速度。在恒定的负载的情况下如何迅速调节到设定的速度，一直是本领域面临的问题，传统运用PID算法改变频率的方法让电机转速调节到设定的速度，此方法虽然有效便捷，但是会出现调节速度的范围越大，调节时间较长这一缺点。为了解决这一问题，本发明可通过调节叠加的脉冲个数(2*m-n)即可解决上述所提到问题。本是实施例中描述驱动频率为42kHz,当周期脉冲个数n为10时，通过DSP程序调节，改变单相输出脉冲个数m的值，其值从6变化到10的过程中，电机将输出不同的驱动转矩，通过图8可以发现，随着脉冲个数m的增加，驱动转矩成非线性抛物线趋势增大，根据运动方程/>负载转矩保持不变，即T_L为恒定值，通过调节驱动转矩，即T_m为调节值，随着其值的增加，驱动转矩对应电机角速度ω也随之呈非线性增大，反之亦然。

图9所示，根据上述，当周期脉冲n为定值，通过实验得到只调节m的值得到的驱动转矩是有限的，根据上述的运动方程可得，在负载转矩为定值的情况下，得到的转子的转速也是有限的，很难满足得到不同的转速。为了实现这一目标，必须得到更多不同的驱动转矩，通过图中的实验得出，可通过改变每个周期脉冲个数n和单相输出脉冲个数m的值来实现上述目标。

当电机带动恒定的负载的情况下，首先可以通过n和m两个数值的调节，找出设定转速所对应的驱动转矩，如果没有找到设定转速所对应的驱动转矩，可先找到最接近的驱动转矩然后再通过调频的方法调节转速，实现先粗调后细调最终达到设定转速的目的，相比传统运用PID算法只改变频率的方法让电机转速调节到设定的速度所用的时间缩短了很多。在变化的负载的情况下，电机转速会出现突然变速的情况，为了维持原速，也可通过上述方法调节，通过实验验证，整个过程所用的时间同样缩短了很多。

为了提高转速的稳定性，可在驻波区将频率调节到接近共振频率点，这是因为电机单相施加正弦波的频率越接近共振频率点，定子和转子之间的摩擦力越小，电机转速在驻波区下降的越小，速度的稳定性就越高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种叠加脉冲调速驱动系统的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法基于如下驱动系统：所述系统包括DSP芯片、推挽逆变电路、升压电路、电感匹配电路以及超声电机；其中，

所述DSP芯片设置四路PWM输出端，分别为sinA、sinB、cosA和cosB，所述DSP芯片的PWM输出接入到推挽逆变电路中；

所述推挽逆变电路再依次对PWM驱动控制信号进行逆变、升压放大后，经电感匹配电路输出sin、cos两路控制信号输入超声电机中驱动超声电机转动；

所述方法中，每个PWM输出端输出占空比为25％的方波脉冲；

每个控制周期中，sinA和sinB、cosA和cosB以叠加的形式依次输出m个脉冲，sin端和cos端叠加的脉冲个数为(2*m-n)个；

通过调节m和n的值调节sin端和cos端的驱动频率相同，以调节电机转速和稳定性；

PWM信号sinA和sinB、cosA和cosB是推挽电路两对互补的栅极驱动信号，分别以180度相位输出，其中信号sinA和cosA相位差为90度；

在每个控制周期，以sinA和sinB两路信号为起始，sinA和sinB两路信号先输出m个脉冲后立即停止输出；

当sinA和sinB两路信号输出完第(n-m)个脉冲时，cosA和cosB开始输出第一个脉冲，直至第m个脉冲输出完毕，叠加脉冲调速控制方法的一个周期的便结束了，紧接着下一个周期的开始；

每个周期sin信号和cos信号叠加的脉冲个数为(2*m-n)个；

在负载不变的情况下，所述叠加的脉冲个数为(2*m-n)越大，电机转速呈非线性增大，叠加的脉冲个数为(2*m-n)越小，电机转速呈非线性减小。