CN110299868A - 一种超声波电机转速的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机转速的控制方法及装置，本发明增加滤波控制以对微分控制环节的输入信号进行滤波，以较小的计算量，尽量滤除输入信号中的噪声干扰；同时，增加限幅控制以对微分控制环节的输出信号进行限幅，将不期望的控制量跳变限制在一定范围内。这样一来，可消除噪声干扰信号的影响，从而使得系统中的转速波动、振荡、失稳现象不再发生，提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

一种超声波电机转速的控制方法及装置

技术领域

本发明属于超声波电机技术领域，具体涉及一种超声波电机转速的控制方法及装置。

背景技术

超声波电机在汽车电子、精密仪器、机器人、航空航天以及武器装备等领域有着广阔的应用前景。但是，由于超声波电机内部压电材料、定转子间机械能摩擦传递等方面的非线性，使超声波电机具有比传统电磁电机更强的时变非线性运行特性。同时，超声波电机驱动电路工作在开关状态，其控制关系也有着非线性的特征，使得超声波电机系统的时变非线性更加明显，不易获得良好的运动控制性能。为改善其控制性能，通常应采用具有自适应特点的控制策略，实时调整控制器参数或结构。

《电工技术学报》2013年6月第28卷第6期出版的作者为史敬灼、尤冬梅的《超声波电机黄金分割自适应转速控制》中提出了一种黄金分割自适应控制器，用于超声波电机的转速控制，其控制框图如图1所示。

图1中所用超声波电机为Shinsei USR60两相行超声波电机，E为光电编码器，与电机转轴刚性连接，提供转速反馈信号。驱动电路为电力电子器件MOSFET构成的两相H桥结构。控制电路以低成本DSP芯片DSP56F801为核心，辅以相移PWM信号发生器，实现对驱动电路中MOSFET开关状态的控制。该系统还包含两相驱动电压幅值的闭环控制，即图1中的“A相电压控制器”、“B相电压控制器”和“占空比调节”单元，用以消除超声波电机A、B两相特性不同导致的A、B相驱动电压幅值差异，实现电机相电压幅值的可控、可调，并抑制电压幅值随频率的变化。图中U_ref为电压幅值的给定值。

其中，图1中虚线框的结构单元是“黄金分割自适应控制器”，其内部结构如图2所示。该控制器输出的控制量为超声波电机的驱动频率值，通过PWM信号发生器实现对电机驱动电压频率的实时调节。该控制环节包含“特征模型参数在线辨识”环节，用来在线、实时地修正黄金分割转速控制器的控制参数，使其具有跟随电机特性的变化而变化的自适应能力。图中微分控制环节的控制规律为：

u_d(k)＝k_d[z(k)-2z(k-1)+z(k-2)]

其中，u_d(k)为那个钱时刻的微分控制量，即微分控制环节的输出量；k_d为可调节系数，其取值在离线仿真的基础上，经实验整定；z(k)为当前时刻的超声波电机转速误差值，z(k-1)、z(k-2)分别为前一时刻、前两时刻的电机转速误差值。

该系统在实验测试中表现出的性能良好，符合要求。但是，在工业现场的长期使用过程中，发现该系统有时会出现转速较大幅度的波动，可能导致电机所连接的机械负载振荡。如果波动幅度过大，甚至有可能导致系统不稳定，造成损失。图3-1给出了上述情况下的转速波形曲线，可以看出转速在本应该平稳运行的区域发生明显的波动(图中虚线标示区域)。而图3-2所示波形曲线的情况则更糟，图中虚线标示区域，已经引起了振荡。若振荡幅度再增大，就可能失稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波电机转速的控制方法及装置，用以解决现有技术中因转速较大幅度的波动造成系统不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种超声波电机转速的控制方法，将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差；

将超声波电机转速误差分别经过微分控制、积分控制、黄金分割控制，对应得到微分控制输出量、积分控制输出量、黄金分割控制输出量，将微分控制输出量、积分控制输出量和黄金分割控制输出量相加，得到超声波电机的驱动频率调节量，用以输出PWM对超声波电机的转速进行控制；

还包括：将微分控制的输入量进行滤波控制。

进一步的，为了控制不期望的跳变量，还包括：将微分控制的输出量进行限幅控制。

增加限幅控制以对微分控制环节的输出信号进行限幅，将不期望的控制量跳变限制在一定范围内。

进一步的，为了在超声波电机转速给定值跳变时进行控制，还包括：将超声波电机转速给定值经过前馈控制，得到前馈控制输出量；将所述前馈控制输出量叠加至所述超声波电机的驱动频率调节量上。

该方法在超声波转速给定信号跳变的情况下，加强控制作用，加快系统响应速度，防止在限制限制噪声干扰信号的同时，也限制了微分环节对给定值跳变情况的出现，从而提供了系统对给定信号的响应速度。

进一步的，所述滤波控制为平均值滤波控制。

进一步的，所述平均值滤波控制包括：

连续采样七个输入信号数据点，并去除其中最大的两个数据点和最小的两个数据点；

取剩余三个数据点的平均值，作为平均值滤波控制的输出。

进一步的，所述限幅控制为：

上式中，u_dn′(k)为当前k时刻的限幅控制输出量；u_dn(k)为当前k时刻的微分控制输出量；U为黄金分割控制输出的最大允许值，由超声波电机及其驱动电路的参数所决定。

进一步的，所述黄金分割控制为：

上式中，u₁(k)为k时刻的黄金分割控制输出量，L₁、L₂为黄金分割系数，z(k)、z(k-1)、z(k-2)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的超声波电机转速误差，u(k-1)、u(k-2)分别是k-1时刻、k-2时刻的超声波电机的驱动频率调节量。

本发明还提供了一种超声波电机转速的控制装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差；

将超声波电机转速误差分别经过微分控制、积分控制、黄金分割控制，对应得到微分控制输出量、积分控制输出量、黄金分割控制输出量，将微分控制输出量、积分控制输出量和黄金分割控制输出量相加，得到超声波电机的驱动频率调节量，用以输出PWM对超声波电机的转速进行控制；

还包括：将微分控制的输入量进行滤波控制。

进一步的，还包括：将微分控制的输出量进行限幅控制。

进一步的，还包括：将超声波电机转速给定值经过前馈控制，得到前馈控制输出量；将所述前馈控制输出量叠加至所述超声波电机的驱动频率调节量上。

进一步的，所述滤波控制为平均值滤波控制。

进一步的，所述平均值滤波控制包括：

连续采样七个输入信号数据点，并去除其中最大的两个数据点和最小的两个数据点；

取剩余三个数据点的平均值，作为平均值滤波控制的输出。

进一步的，所述限幅控制为：

上式中，u_dn′(k)为当前k时刻的限幅控制输出量；u_dn(k)为当前k时刻的微分控制输出量；U为黄金分割控制输出的最大允许值，由超声波电机及其驱动电路的参数所决定。

进一步的，所述黄金分割控制为：

上式中，u₁(k)为k时刻的黄金分割控制输出量，L₁、L₂为黄金分割系数，z(k)、z(k-1)、z(k-2)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的超声波电机转速误差，u(k-1)、u(k-2)分别是k-1时刻、k-2时刻的超声波电机的驱动频率调节量。

本发明的有益效果：

经过多次的测试、分析，发现导致系统振荡、不稳定的原因是，在工业现场环境中，不可避免地存在各种各样的电磁噪声干扰，表现为系统中正常信号上叠加的跳变。这些干扰信号的幅度和出现频次都比实验室环境要大一些。在图2中，尤其微分控制环节对其输入信号中跳变的噪声干扰信号较为敏感。对这些跳变信号的微分运算，使其幅度被放大并出现在微分控制环节的输出量上，进而使得作用于电机的控制信号发生跳变，导致转速波动、甚至振荡、失稳现象的发生。

故本发明对微分控制的输入信号进行了处理，增加滤波控制以对微分控制环节的输入信号进行滤波，以较小的计算量，尽量滤除输入信号中的噪声干扰。这样一来，可消除噪声干扰信号的影响，从而使得系统中的转速波动、振荡、失稳现象不再发生，提高了系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是基于黄金分割控制的超声波电机转速控制系统框图；

图2是黄金分割控制器的结构框图；

图3-1是转速阶跃响应的稳态波动波形图；

图3-2是转速阶跃响应的稳态振荡波形图；

图4是本发明的超声波电机转速控制框图；

图5-1是空载情况下实测转速阶跃响应波形图；

图5-2是加载0.2Nm情况下实测转速阶跃响应波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明在图2的基础上，对黄金分割控制器进行改进。在保持控制性能符合期望的前提下，以避免其中的微分控制环节在现场噪声干扰的作用下，导致转速明显波动的情况发生，改进后的控制框图如图4所示。

图2中，超声波电机转速给定值y_r(k)与超声波电机转速实际值y(k)作差，得到超声波电机转速误差z(k)。将超声波电机转速误差z(k)分别经过微分控制、积分控制、黄金分割控制，分别得到微分控制输出量u_d(k)、积分控制输出量u_i(k)、黄金分割控制输出量u₁(k)，将这三个量相加，得到超声波电机的驱动频率调节量u(k)，用以输出PWM对超声波电机的转速进行控制。

其中，黄金分割控制为：

上式中，u₁(k)为k时刻的黄金分割控制输出量，L₁、L₂为黄金分割系数，z(k)、z(k-1)、z(k-2)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的超声波电机转速误差，u(k-1)、u(k-2)分别是k-1时刻、k-2时刻的超声波电机的驱动频率调节量。

图4在图2的基础上，首先，对图2中微分控制进行改进，将微分控制的输入量进行滤波控制，对微分控制的输出量进行限幅控制，进而得到不同于图2中的微分控制输出量，即u_d′(k)。

在这里，滤波控制选用平均值滤波控制。平均值滤波控制对输入信号的处理步骤可按照如下方法进行：

1)连续采样七个输入信号数据点z(k)、z(k-1)，……，z(k-6)；

2)对这七个输入信号数据点进行排序，去除最大的两个数据点和最小的两个数据点；

3)取剩余的三个数据点的平均值，作为滤波控制的输出量z_m(k)，也即微分控制的输入量。

其中，在上述步骤1)中连续采样七个输入信号数据点的时间内，限幅控制的输出量保持不变。

该种处理方法，对微分控制环节的输入信号进行滤波，以较小的计算量，尽量滤除输入信号中的噪声干扰；而且，考虑到噪声干扰信号的跳变、短时特点，可以去除大部分噪声干扰信号。

图2中的微分控制环节，改为将其输出限幅的“不完全微分控制”，将不期望的控制量跳变限制在一定范围内。其处理步骤如下：

1)将滤波控制的输出量z_m(k)进行微分控制计算，即：

u_dn(k)＝k_d[z_m(k)-2z_m(k-1)+z_m(k-2)]

上式中，u_dn(k)为当前k时刻的微分控制输出量；z_m(k)、z_m(k-1)、z_m(k-2)分别为当前k时刻、前一k-1时刻、前两k-2时刻的微分控制的输入量，也即滤波控制的输出量；k_d为可调系数，其取值在离线仿真的基础上，经实验整定。

2)对上式得到的值u_dn(k)进行限幅控制，即：

上式中，u_dn′(k)为当前k时刻的限幅控制输出量；u_dn(k)为当前k时刻的微分控制输出量；U为黄金分割控制输出的最大允许值，由超声波电机及其驱动电路的参数所决定。其中，针对图1所示的系统，U＝2.3KHz。

经过上述控制，对微分控制的输出进行限幅，可限制由该环节在输入误差信号跳变情况下，可能导致的输出转速波动。但是，应注意的是，导致输入误差信号跳变的，不仅包括不期望的噪声干扰信号，给定信号y_r(k)的跳变也会导致误差信号跳变。

例如，当给定信号y_r(k)为阶跃信号时，这是系统正常工作状态下可能出现的正常状态。原有的未限幅的微分控制环节，可以在y_r(k)跳变时给出一个大幅度的控制量跳变，有利于系统输出转速值快速跟踪给定值的变化；但是，上述“不完全微分控制”环节在限制噪声干扰信号的同时，也限制了微分环节对给定值跳变情况的合理反应，从而减慢了系统对阶跃给定信号的响应速度。

为保持系统控制性能依旧符合要求，图4中增加了一个并联的比例前馈控制环节。也就是，将超声波电机转速给定值y_r(k)经过比例前馈控制，得到比例前馈控制输出量u_p(k)；将该比例前馈控制输出量u_p(k)叠加至超声波电机的驱动频率调节量上。该比例前馈控制中的比例系数值，可在离线仿真的基础上，经实验整定。

也即，此时，超声波电机的驱动频率调节量为四个量相加的结果，分别为比例前馈控制输出量u_p(k)、限幅控制输出量u_dn′(k)、积分控制输出量u_i(k)、黄金分割控制输出量u₁(k)。此时，在超声波转速给定信号跳变的情况下，加强控制作用，加快系统响应速度。

经过上述改进，所得系统控制响应曲线如图5-1、5-2所示。从图中可以看出，消除了噪声干扰信号的影响，并且控制性能指标符合要求。

另外，需指出的是，针对滤波控制环节，在该实施例中采用了平均滤波控制，以实现对超声波电机转速误差信号的处理。当然，也可采用现有技术中其他的滤波方法，例如，卡尔曼滤波等等，只是其效果不如平均滤波控制方法。

另外，为实现上述介绍的超声波电机转速的控制方法，本发明还提供了一种超声波电机转速的控制装置，该装置包括处理器和存储器，存储器中存储有指令，用于将本发明的方法代码化，以在处理器执行存储器中的指令时，能够实现本发明的超声波电机转速的控制方法。由于对该方法的介绍已足够清楚，对这些装置不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种超声波电机转速的控制方法，将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差；

将超声波电机转速误差分别经过微分控制、积分控制、黄金分割控制，对应得到微分控制输出量、积分控制输出量、黄金分割控制输出量，将微分控制输出量、积分控制输出量和黄金分割控制输出量相加，得到超声波电机的驱动频率调节量，用以输出PWM对超声波电机的转速进行控制；

其特征在于，还包括：将微分控制的输入量进行滤波控制。

2.根据权利要求1所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，还包括：将微分控制的输出量进行限幅控制。

3.根据权利要求1所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，还包括：将超声波电机转速给定值经过前馈控制，得到前馈控制输出量；将所述前馈控制输出量叠加至所述超声波电机的驱动频率调节量上。

4.根据权利要求1所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，所述滤波控制为平均值滤波控制。

5.根据权利要求4所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，所述平均值滤波控制包括：

连续采样七个输入信号数据点，并去除其中最大的两个数据点和最小的两个数据点；

取剩余三个数据点的平均值，作为平均值滤波控制的输出。

6.根据权利要求1所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，所述限幅控制为：

上式中，u_dn′(k)为当前k时刻的限幅控制输出量；u_dn(k)为当前k时刻的微分控制输出量；U为黄金分割控制输出的最大允许值，由超声波电机及其驱动电路的参数所决定。

7.根据权利要求1所述的超声波电机转速的控制方法，其特征在于，所述黄金分割控制为：

上式中，u₁(k)为k时刻的黄金分割控制输出量，L₁、L₂为黄金分割系数，z(k)、z(k-1)、z(k-2)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的超声波电机转速误差，u(k-1)、u(k-2)分别是k-1时刻、k-2时刻的超声波电机的驱动频率调节量。

8.一种超声波电机转速的控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现如下方法：

将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差；

将超声波电机转速误差分别经过微分控制、积分控制、黄金分割控制，对应得到微分控制输出量、积分控制输出量、黄金分割控制输出量，将微分控制输出量、积分控制输出量和黄金分割控制输出量相加，得到超声波电机的驱动频率调节量，用以输出PWM对超声波电机的转速进行控制；

还包括：将微分控制的输入量进行滤波控制。

9.根据权利要求8所述的超声波电机转速的控制装置，其特征在于，还包括：将微分控制的输出量进行限幅控制。

10.根据权利要求8所述的超声波电机转速的控制装置，其特征在于，还包括：将超声波电机转速给定值经过前馈控制，得到前馈控制输出量；将所述前馈控制输出量叠加至所述超声波电机的驱动频率调节量上。