CN111697873B - 一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，实现该方法所用到的设备包括FPGA、霍尔电流传感器、电压分压采样电阻、高速ADC、H桥驱动电路、行波型旋转超声电机，其步骤如下：第一步，利用FPGA控制霍尔电流传感器、电压分压采样电阻，以4MHz采样频率对行波型旋转超声电机运行时的输出电压、电流实现采样，通过高速ADC实现数模转换，并计算电机定子振动模态速度：第二步，将第一步中计算出的电机定子振动模态速度作为滑模观测器输出量的真实值，以构建振动模态滑模观测器。本发明方法能够实现定子振动模态准确观测，具有一定的参数鲁棒性，且能克服现有测量技术实施困难、测量精度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电机定子振动模态测量技术领域，具体是基于滑模观测器实现的行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法。
背景技术
行波型旋转超声电机(英文缩写为TWUSM)是一种微型电机，具有结构简单，体积小，转矩密度大，响应快速等特点，适用于低速大转矩场合，被广泛运用于各种场合，如医疗、航天等领域，对电机控制精度要求极高。
TWUSM输出转矩稳定性直接影响电机工作精度，而与输出转矩脉动特性有关的定子振动模态成为反应系统性能的重要指标。当前对于定子振动模态的测量技术有利用高速摄像机、传感器实现测量、变压器电桥电路等实现定子振动模态测量、记录，但这些方式都存在测量仪器价格昂贵，安装不易等问题。总之，当前的定子振动模态测量技术尚不成熟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供基于观测器实现的行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法。该方法能够实现定子振动模态准确观测，具有一定的参数鲁棒性，且能克服现有测量技术实施困难、测量精度低的问题。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：设计一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，实现该方法所用到的设备包括FPGA、霍尔电流传感器、电压分压采样电阻、高速ADC、H桥驱动电路、行波型旋转超声电机，其步骤如下：
第一步，利用FPGA控制霍尔电流传感器、电压分压采样电阻，以4MHz采样频率对行波型旋转超声电机运行时的输出电压、电流实现采样，通过高速ADC实现数模转换，并计算电机定子振动模态速度：
第二步，将第一步中计算出的电机定子振动模态速度作为滑模观测器输出量的真实值，以构建振动模态滑模观测器；
第三步，证明第二步设计的振动模态滑模观测器的稳定性和收敛性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明方法从TWUSM模型出发，获得定子状态方程，从而搭建滑模观测器实现定子振动模态估计，克服定子振动模态测量难的问题。
2、本发明方法通过搭建滑模观测器对定子振动模态进行估计，实现TWUSM振动模态无传感器测量，降低成本。
3、本发明方法从理论上克服TWUSM中压电陶瓷的参数不确定性的影响，实现准确观测。
4、本发明方法从理论上克服TWUSM复杂的驱动机理而产生的不可测非线性量带来的影响，实现准确观测。
5、本发明方法以测量定子振动模态为目标，其直接反应定子振动状态，间接了解转子响应状态。
附图说明
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明方法的原理示意图。
图2为本发明方法在参数稳定状态下的振动模态滑模观测器的观测结果与仿真真实值的对比示意图。
图3为本发明方法在参数扰动状态下的振动模态滑模观测器的观测结果与仿真真实值的对比示意图。
具体实施方式
本发明提供一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法(简称方法，参见图1)，实现该方法所用到的设备包括FPGA(Altera cyclone IV系列)、霍尔电流传感器(型号为HCS-LTS06A)、电压分压采样电阻、高速ADC(ADI公司的高速模数转换器)、H桥驱动电路、行波型旋转超声电机(简称电机)，其步骤如下：
第一步，利用FPGA控制霍尔电流传感器、电压分压采样电阻，以4MHz采样频率对行波型旋转超声电机运行时的输出电压、电流实现采样，通过高速ADC实现数模转换，并计算电机定子振动模态速度：
具体步骤为：在当前时刻，即kT时刻，通过FPGA控制霍尔电流传感器以4MHz的采样频率对电机运行时的输出电流实现采样，利用高速ADC实现数模转换并传回FPGA，获得电机的两相电流i＝[iA,iB]，振动模态速度计算模块根据压电振子方程(1)计算电机定子振动模态速度，即并将其作为滑模观测器输出量的真实值以构建振动模态滑模观测器。
其中Rd、Cd为介电损耗电阻及静态电容；u＝[uA,uB]，为驱动电压；w＝[wA,wB]，为两相定子振动模态真实值。
第二步，将第一步中计算出的电机定子振动模态速度作为滑模观测器输出量的真实值，以构建振动模态滑模观测器。
所述构建振动模态滑模观测器的具体过程为：
TWUSM满足以下机电耦合方程式(通用方程)：
TWUSM两相振动模态独立观测，单相机电耦合方程式：
其中m、d、c、Θ分别为定子两相的模态质量、模态阻尼、模态刚度以及机电耦合系数，fc为定子、转子相互作用产生的模态力。
依据式(3)，建立状态方程式：
其中模态力fc不可测，但其满足|fc|<d，有界。且考虑到参数易受环境影响，/>可以将扰动项及不可测项合并为且|h(t,x,u)|≤D，重写状态方程为：
其中M＝[0 1]。
依据式(5)建立振动模态滑模观测器：
第三步，证明第二步设计的振动模态滑模观测器的稳定性和收敛性。
上述振动模态滑模观测器(6)需要确定参数L、ρ的选择，由系统偏差为可知：
期望达到ey＝0，滑模面设计为S＝Ce＝0。对于系统收敛可达性以及稳定性证明，选择Lyapunov函数可以推出：
当ρ＞|A21e1+A22ey+D|时，系统可以达到滑模面。
基于理想情况下分析可知：
合并两式：
可见，到达滑模面后，e1受不确定项h(t,x,u)影响，不能严格收敛到0，可以设计较小的L保证e1快速收敛,实现极小误差。
依据以上要求进行滑模观测器参数设计时，其中电机参数利用导纳圆法测得。
所述振动模态滑模观测器通过FPGA实现，行波型旋转超声电机选用型号TRUM60A，配合使用H桥驱动电路(又称全桥驱动电路)。
图1为本发明方法的原理示意图，如图所示，实现该方法所采用的设备包含FPGA(Altera cyclone IV系列)、霍尔电流传感器(型号为HCS-LTSA)、电压分压采样电阻、高速ADC、H桥驱动电路，TWUSM选用TRUM60A；FPGA中设置有采样模块(即控制霍尔电流传感器(型号为HCS-LTSA)、电压分压采样电阻实现采样)、振动模态速度计算模块，并建立振动模态滑模观测器。
本发明方法的原理是：第一步，在当前时刻，即KT时刻，通过FPGA利用霍尔电流传感器、电压分压电阻以4MHz的采样频率对电机运行时的输出电压、输出电流实现采样，利用高速ADC实现数模转换并传回FPGA，采样结果输入至振动模态速度计算模块部分，利用压电振子方程(1)实现对定子振动模态速度的间接获取，该值反应TWUSM真实状态；第二步，将计算获得的真实振动模态速度、FPGA采样模块获得的电压量输入至振动模态滑模观测器模块，依据设计的振动模态滑模观测器(6)计算定子振动模态观测值/>定子振动模态速度观测值/>以及定子振动模态速度的观测误差值/>其中定子振动模态速度的观测误差值以开关函数/>的形式反馈至振动模态滑模观测器进行补偿，实现定子振动模态速度观测偏差逼近0，至此实现对定子振动模态的观测。
图2和图3所示实施例为本发明所设计的TWUSM振动模态滑模观测器的仿真结果。模拟H桥驱动电路对TWUSM电机模型进行驱动，设置输出方波驱动电压占空比31.7％，幅值为70V，A相滞后B相π/2，频率为42kHz，电机运行至稳态。以定子振动模态观测值与定子振动模态真实值w的差值ΔwA、ΔwB来衡量振动模态滑模观测器跟踪的准确性。
图2所示仿真结果表明，参数稳定状态下所设计的振动模态滑模观测器能够实现准确跟踪。图3所示仿真结果表明，参数时变状态下所设计的振动模态滑模观测器也能够实现准确跟踪。本发明所设计振动模态滑模观测器具有准确性高、鲁棒性强的特点。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，实现该方法所用到的设备包括FPGA、霍尔电流传感器、电压分压采样电阻、高速ADC、H桥驱动电路、行波型旋转超声电机，其步骤如下：
第一步，利用FPGA控制霍尔电流传感器、电压分压采样电阻，以4MHz采样频率对行波型旋转超声电机运行时的输出电压、电流实现采样，通过高速ADC实现数模转换，并计算电机定子振动模态速度；
第二步，将第一步中计算出的电机定子振动模态速度作为滑模观测器输出量的真实值，以构建振动模态滑模观测器；
第三步，证明第二步设计的振动模态滑模观测器的稳定性和收敛性；
所述第二步中的建立振动模态滑模观测器的具体过程为：
TWUSM满足以下机电耦合方程式：
TWUSM两相振动模态独立观测，单相机电耦合方程式：
其中m、d、c、Θ分别为定子两相的模态质量、模态阻尼、模态刚度以及机电耦合系数，fc为定子、转子相互作用产生的模态力；
依据式(3)，建立状态方程式：
其中模态力fc不可测，但其满足|fc|<d，有界；且考虑到参数易受环境影响，令/>将扰动项及不可测项合并为且|h(t,x,u)|≤D，重写状态方程为：
其中M＝[01]；
依据式(5)建立振动模态滑模观测器：
2.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，在当前时刻，即kT时刻，通过FPGA控制霍尔电流传感器以4MHz的采样频率对电机运行时的输出电流实现采样，利用高速ADC实现数模转换并传回FPGA，获得电机的两相电流i＝[iA,iB]，振动模态速度计算模块根据压电振子方程(1)计算电机定子振动模态速度，即并将其作为滑模观测器输出量的真实值以构建振动模态滑模观测器；
其中Rd、Cd为介电损耗电阻及静态电容；u＝[uA,uB]，为驱动电压；w＝[wA,wB]，为两相定子振动模态。
3.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，电机参数利用导纳圆法测得。
4.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，所述振动模态滑模观测器通过FPGA实现。
5.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，行波型旋转超声电机选用型号TRUM60A。
6.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，霍尔电流传感器型号为HCS-LTS06A。
7.根据权利要求1所述的一种行波型旋转超声电机定子振动模态观测方法，其特征在于，FPGA为Altera cyclone IV系列。
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