CN112366979A - 一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统 - Google Patents

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CN112366979A CN202011202444.5A CN202011202444A CN112366979A CN 112366979 A CN112366979 A CN 112366979A CN 202011202444 A CN202011202444 A CN 202011202444A CN 112366979 A CN112366979 A CN 112366979A
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Abstract

本发明公开了一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统。该方法包括：对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；以PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对驱动电路的输出电压进行控制；对超声电机的交流输入电压进行采样，并计算其电压有效值；采用MEPT算法根据电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新；以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。本发明在对转速控制的同时实现了电机的最大工作效率。

Description

一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统
技术领域
本发明涉及超声电机控制技术领域，特别是涉及一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统。
背景技术
随着现代社会节能降耗、可持续发展的观念不断发展和落实，无论在工业生产还是科学研究中，提升伺服和调速电机系统的能量利用效率越来越受到工程师和科研人员们的重视。超声电机因其具有超声波电机具有低速大转矩、不受电磁干扰、断电自锁、响应快、速度和位置控制性好等优点，在航空航天、机器人、移动电子设备等运动控制领域得以广泛应用。但由于其独特的机电能量转换方式，超声电机的效率还不是很高，以行波旋转型为代表的超声电机本体效率不超过30％。一方面，由于其主要应用场合能量供应有限，过低的效率会严重制约系统的工作续航能力；另一方面，超声电机效率过低意味着其机电能量转换过程中由于电介质损耗、结构阻尼和摩擦产生大量的热量，进而导致电机发热升温，而温度升高对于超声电机谐振特性、动态特性影响很大，给电机的高精度、高动态性能控制带来挑战。因此，如何最大程度地提升超声电机的工作效率已成为此领域内亟需解决的关键问题之一。
对于实际应用中的超声电机运动控制系统，包括电机本体和驱动控制电路，因此研究其效率提升问题一般可以从以下三个方面入手：超声电机本体的设计优化、驱动电路的拓扑结构优化、效率的最优控制。对于电机的结构设计，很多研究人员分别在定子、转子和摩擦材料的选择和制造，定转子结构和振型的优化设计，谐振模态的识别和分离做了积极尝试。对于驱动电路的拓扑结构，无变压器式谐振电路以及软开关技术均在提升电机效率中得以应用。在效率最优控制方面，Senjyu等人最先于2001年提出了效率最优控制方法，通过在线调整频率来寻找驱动电压的最小值，达到效率最优效果，但此种方法驱动电路由斩波器和逆变器构成，并且没有考虑在动态条件下的控制效果如何。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，包括：
对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；
以所述PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行控制；
对超声电机的交流输入电压进行采样，并计算电压有效值；
采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新；
以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
可选的，所述驱动电路为全桥逆变电路，所述驱动电路经匹配电路与超声电机连接，所述匹配电路采用串联电感。
可选的，所述采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新，具体包括：
步骤201：根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-1),t(k)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000021
记为在时刻t(k)的有效电压平均值，其中，第k-1时刻t(k-1)到第k时刻t(k)的时间间隔为T1＝s1/fs，s1为第一设定值，fs为驱动频率；
步骤202：根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-s2-1),t(k-s2)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000022
其中，s2为第二设定值，与超声电机发热导致的温升有关；
步骤203：判断
Figure BDA0002755858430000023
是否小于ΔUmin，得到第一判断结果，其中，ΔUmin为收敛阈值；
步骤204：如果所述第一判断结果表示
Figure BDA0002755858430000024
不小于ΔUmin，则判断
Figure BDA0002755858430000025
是否大于
Figure BDA0002755858430000026
得到第二判断结果；
步骤205：如果第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000031
大于
Figure BDA0002755858430000032
则判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第三判断结果；
步骤206：如果第三判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，并跳转至步骤201，其中，Δf为每次进行驱动频率修正时变化的步长；
步骤207：如果第三判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，并跳转至步骤201；
步骤208：如果第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000033
不大于
Figure BDA0002755858430000034
则判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第四判断结果；
步骤209：如果第四判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，并跳转至步骤201；
步骤210：如果第四判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，并跳转至步骤201；
步骤211：如果所述第一判断结果表示
Figure BDA0002755858430000035
小于ΔUmin，则判断
Figure BDA0002755858430000036
是否小于ΔUmin，得到第五判断结果；
步骤212：如果第五判断结果表示
Figure BDA0002755858430000037
小于ΔUmin，则跳转至步骤201；
步骤213：如果第五判断结果表示
Figure BDA0002755858430000038
不小于ΔUmin，则令Δf取反数后，跳转至判断
Figure BDA0002755858430000039
是否大于
Figure BDA00027558584300000310
步骤。
可选的，所述方法还包括：基于曲面拟合函数，根据超声电机的转矩和转速确定Δf的数值。
本发明还提供了一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统，包括：
第一电压调节模块，用于对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；以所述PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行控制；
输入电压采样模块，用于对超声电机的两相交流输入电压进行采样，并计算电压有效值；
驱动频率修正更新模块，用于采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新；
第二电压调节模块，用于以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
可选的，所述驱动频率修正更新模块，具体包括：
有效电压平均值计算单元，用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-1),t(k)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000041
记为在时刻t(k)的有效电压平均值，其中，第k-1时刻t(k-1)到第k时刻t(k)的时间间隔为T1＝s1/fs，s1为第一设定值，fs为驱动频率；
所述有效电压平均值计算单元还用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-s2-1),t(k-s2)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000042
其中，s2为第二设定值，与超声电机发热导致的温升有关；
第一判断单元，用于判断
Figure BDA0002755858430000043
是否小于ΔUmin，得到第一判断结果，其中，ΔUmin为收敛阈值；
第二判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure BDA0002755858430000044
不小于ΔUmin时，判断
Figure BDA0002755858430000045
是否大于
Figure BDA0002755858430000046
得到第二判断结果；
第三判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000047
大于
Figure BDA0002755858430000048
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第三判断结果；
第四判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000049
不大于
Figure BDA00027558584300000410
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第四判断结果；
第五判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure BDA00027558584300000411
小于ΔUmin时，判断
Figure BDA00027558584300000412
是否小于ΔUmin，得到第五判断结果；
驱动频率修正更新单元，用于在所述第三判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，在第三判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，在第四判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf；在第四判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf；在第五判断结果表示
Figure BDA0002755858430000051
不小于ΔUmin时，令Δf取反数，其中，Δf为每次进行驱动频率修正时变化的步长。
可选的，所述系统还包括：修正步长确定模块，用于基于曲面拟合函数，根据超声电机的转矩和转速确定Δf的数值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统基于效率-电机输入电压有效值特性，采用最大效率点跟踪(Maximum Efficiency Point Tracking，MEPT)控制算法，在对转速控制的同时实现电机的最大工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例1中的超声电机最大效率点跟踪及转速控制框图；
图3为本发明实施例1中的超声电机及其驱动、匹配电路拓扑图；
图4为本发明实施例1中的超声电机驱动电压有效值和工作效率随驱动频率变化曲线图；
图5为本发明实施例1中的MEPT实现流程图；
图6为本发明实施例1中的
Figure BDA0002755858430000052
计算示意图；
图7为本发明实施例1中的原始数据点经过最小二乘法逼近拟合得到函数Δf＝g(nR,TL)的曲面模型图；
图8为本发明实施例1中的转速85rpm、转矩0.448N·m时算法仿真结果图；
图9为本发明实施例1中的转速90rpm负载突变时算法跟踪情况示意图，其中，图9(a)为加速过程中转速90rpm负载突变时算法跟踪情况示意图，图9(b)为减速过程中转速90rpm负载突变时算法跟踪情况示意图；
图10为本发明实施例1中的负载转矩0.4N·m转速突变时算法跟踪情况示意图，其中，图10(a)为加速过程中负载转矩0.4N·m转速突变时算法跟踪情况示意图，图10(b)为减速过程中负载转矩0.4N·m转速突变时算法跟踪情况示意图；
图11为本发明实施例1中的电机温度逐渐升高时仿真结果示意图；
图12为本发明实施例2提供的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参见图1，本实施例提供了一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，控制原理参见图2，该方法包括以下步骤：
步骤101：对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；
步骤102：以PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对驱动电路的输出电压进行控制；
步骤103：对超声电机的两相交流输入电压uFA、uFB中任一相，比如uFA进行采样，并计算其电压有效值UA；
步骤104：采用MEPT算法根据电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000061
并基于不同时刻电压有效值的平均值不断对驱动频率进行修正更新；
步骤105：以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
参见图3，在本实施例中，驱动电路为全桥逆变电路，驱动电路经匹配电路与超声电机连接，匹配电路采用串联电感。其中Udc为直流输入电压，C1、C2为直流母线电容，用于保证两相全桥电路电压恒定，两相全桥电路开关管分别为Q1-4、Q5-8。A、B两相变压器Tr1、Tr2输入端与各相全桥电路的两个桥臂中点a/b和c/d相连，其电压分别为uab、ucd；输出电压分别为uA，uB，变比为1：N。A、B两相变压器输出端和超声电机USM两相输入端之间分别串联一个匹配电感L1、L2，其主要作用是进行滤波和功率匹配，得到交流电压uFA、uFB，分别作为超声电机A、B两相输入电压。
A、B两相全桥电路均采用移相PWM控制，所有开关管的驱动信号占空比(暂不考虑死区)固定为50％，且同一桥臂上下两个开关管驱动信号互补(如Q1和Q2)。保证A相和B相同一位置开关管(如Q1和Q5)驱动信号相位相差π/2，即可使两相电压uA、uB相位差π/2。调节左右桥臂开关管驱动信号之间的相位差，即可改变uA、uB的占空比D1(在0-1范围内连续可调)，进而改变电机输入端电压uFA、uFB幅值，对电机转速进行反馈控制。
如图4所示，对于处于稳态情况下的超声电机而言，改变驱动电路中开关管Q1-8的驱动频率fs，超声电机A相输入电压uFA的有效值UA和工作效率η随之改变，且当UA取得最小值UAmin时，电机工作效率η最大，即电机工作在最大效率点，将此时的驱动频率fs的值记为fm。于是可通过调整驱动频率fs，使得UA的值达到最小值，来使电机工作在最大效率点。
因此为了实现驱动频率fs对最大效率点的频率fm的跟踪，需要对超声电机输入端交流电压uFA进行采样。设uFA的周期为Ts，则Ts＝1/fs，然后计算一个Ts周期内uFA的有效值UA。
将UA作为MEPT算法的输入，进行驱动频率fs的更新，具体过程参见图5。
(1)首先对算法中变量进行初始化，各初始化变量的意义及取值影响如下：
fini，初始时刻电机的工作频率。与超声电机谐振频率fr有关，取fr+1kHz；
s1，UA在s1个Ts周期内取平均值。取值过小不能有效减少采样过程带来的随机误差，取值过大会降低算法的收敛速度；
s2，累积由于电机发热导致的温升引起
Figure BDA0002755858430000081
的增量。用于对温升工况进行判断，进而对Δf进行符号修正，取值与电机工作时温升速率相关；
ΔUmin，通过
Figure BDA0002755858430000082
与ΔUmin的大小进行比较，判断UA是否收敛至UAmin，即fs是否收敛至最大效率点fm。取值过小收敛稳态时fs会出现较大波动，取值过大fs收敛精度低；
Δf，每次进行驱动频率修正时变化的步长。其取值过小会减小算法的收敛精度和速度，取值过大容易导致出现波动。
(2)采样并计算得到
Figure BDA0002755858430000083
取UA在[t(k-1),t(k)]、[t(k-2),t(k-1)]的T1时间间隔(连续s1个Ts周期)内的平均值，分别记为
Figure BDA0002755858430000084
在[t(k-1),t(k)]之前s2×T1时刻，即[t(k-s2-1),t(k-s2)]的平均值记为
Figure BDA0002755858430000085
于是
Figure BDA0002755858430000086
的计算示意图如图6所示，其中横轴t代表算法执行的时间坐标。
(3)判断
Figure BDA0002755858430000087
是否成立，若结果为“Y(是)”执行步骤(4)进行进一步判断；若结果为“N(否)”，说明fs尚未收敛至最大效率点fm，则执行步骤(5)对fs进行更新修正。
(4)判断
Figure BDA0002755858430000088
是否成立，若结果为“Y(是)”，说明电机温度达到稳定状态且fs收敛至最大效率点fm，此时无需对fs进行更新修正，再次执行步骤(2)进入下一循环；若结果为“N(否)”说明电机温度在时间s2×T1内不断上升，需要将Δf修改为-Δf，并执行步骤(5)。
(5)判断
Figure BDA0002755858430000089
与fs(k)-fs(k-1)值的正负是否一致，若
Figure BDA00027558584300000810
与fs(k)-fs(k-1)同号，则通过式fs(k+1)＝fs(k)-Δf对fs进行修正；否则通过式fs(k+1)＝fs(k)+Δf进行更新修正。
s1、ΔUmin、Δf变量的初始值会影响算法收敛性、精度和稳定性，因此需要确定其合适的取值。下面对s1、ΔUmin、Δf变量的初始值的确定进行介绍：
s1和ΔUmin值的确定
ΔUmin用于判断UA是否收敛至UAmin，ΔUmin越小，算法的收敛精度越高，但其取值应大于电机工作在最大效率点fm时UA的波动值ΔU。在确定合适的ΔUmin前提下，s1的取值尽可能小。其中，ΔUmin为ΔU中的最大值。
Δf值的确定
若要保证超声电机工作在最大效率点，且算法不会发生振荡，并保证较高的收敛精度和速度，取Δf满足
Figure BDA0002755858430000091
其中A(nR,TL)是不同转速nR和转矩TL下，超声电机工作的最大效率点fm的邻域[fm-δf,fm+δf]内，UA关于驱动频率fs二次函数拟合表达式的二次项系数。
在超声电机常用转速和转矩工作范围内选取36个离散工况点zk(nRk,TLk)，其中k＝1,2,…,36，计算得到对应Δfk＝g(nRk,TLk)的取值。
将离散的数据点(nRk,TLk,Δfk)绘制在三维坐标系中，如图7所示，于是可通过曲面拟合的方法得到连续函数Δf＝g(nR,TL)的表达式。
s1、ΔUmin、Δf的确定方法，在转速85rpm、转矩0.448N·m时进行仿真，结果如图8所示，可以看出算法能够快速、精确、稳定地收敛至最大效率点对应的工作频率处。
下面对本发明提供的动态情况下最大效率点跟踪算法的稳定性进行分析与验证
动态负载条件
如图9所示，在电机转速为90rpm情况下，在III稳定阶段负载分别由0.4N·m突变为0.1N·m(减载)和0.1N·m突变为0.4N·m(加载)两种变化时，最大效率点跟踪算法的跟踪情况。两种情形下算法的稳定性能够保持，驱动频率基本不变，通过算法的调节使得驱动电压有效值最小，进而保证最大的工作效率。
动态转速条件
如图10所示，在电机负载转矩为0.4N·m情况下，给定电机转速分别由90rpm突变为50rpm(减速)和50rpm突变为90rpm(加载)两种变化时，最大效率点跟踪算法的跟踪情况。两种情形下算法的稳定性能够保持，驱动频率基本不变，通过算法的调节使得驱动电压有效值最小，进而保证最大的工作效率。转速外环通过PI控制器可以实现较好的转速跟踪效果。
动态温度条件
电机工况为负载转矩0.4N·m，给定转速90rpm，假设电机工作时间至0.03s时由于发热导致电机本体温度开始上升，直到0.07s电机温度达到平衡状态，温度不再变化，这个过程导致电机谐振频率从41.7kHz逐渐减小至40.7kHz。仿真结果如图11所示，可以看到电机在前0.02s内，电机驱动频率已经跟踪到41.7kHz，0.03s之后由于谐振频率减小，电机驱动电压有效值有不断增加的趋势，此时驱动频率由初始谐振频率开始不断降低，以达到抑制电压增加的趋势，最终在算法的调节作用下，实现了最大效率点跟踪，驱动频率降至40.7kHz，驱动电压有效值回归原始水平，电机效率保持最大。
实施例2
参见图12，本实施例提供了一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统，该系统包括：
第一电压调节模块301，用于对超声电机的转速进行采样与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；以所述PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行控制；
输入电压采样模块302，用于对超声电机的两相交流输入电压进行采样，并计算其电压有效值；
驱动频率修正更新模块303，用于采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值不断对驱动频率进行修正更新；
第二电压调节模块304，用于以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
其中，所述驱动频率修正更新模块303，具体包括：
有效电压平均值计算单元，用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-1),t(k)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000101
记为在时刻t(k)的有效电压平均值，其中，第k-1时刻t(k-1)到第k时刻t(k)的时间间隔为T1＝s1/fs，s1为第一设定值，fs为驱动频率；
所述有效电压平均值计算单元还用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-s2-1),t(k-s2)]内电压有效值的平均值
Figure BDA0002755858430000111
其中，s2为第二设定值，与超声电机发热导致的温升有关；
第一判断单元，用于判断
Figure BDA0002755858430000112
是否小于ΔUmin，得到第一判断结果，其中，ΔUmin为收敛阈值；
第二判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure BDA0002755858430000113
不小于ΔUmin时，判断
Figure BDA0002755858430000114
是否大于
Figure BDA0002755858430000115
得到第二判断结果；
第三判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000116
大于
Figure BDA0002755858430000117
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第三判断结果；
第四判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure BDA0002755858430000118
不大于
Figure BDA0002755858430000119
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第四判断结果；
第五判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure BDA00027558584300001110
小于ΔUmin时，判断
Figure BDA00027558584300001111
是否小于ΔUmin，得到第五判断结果；
驱动频率修正更新单元，用于在所述第三判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，在第三判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，在第四判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf；在第四判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf；在第五判断结果表示
Figure BDA00027558584300001112
不小于ΔUmin时，令Δf＝-Δf，其中，Δf为每次进行驱动频率修正时变化的步长。
本发明提供的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法及系统以全桥电路作为电机驱动电路，首先推导出效率-电机输入电压有效值特性，然后根据占空比、电机负载转矩和电机转速的定量关系，设计一种最大效率点跟踪(Maximum Efficiency PointTracking，MEPT)控制算法，使用曲面拟合函数的方式确定在不同的、动态的工况条件下MEPT算法的初值，在对转速控制的同时实现电机的最大工作效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，其特征在于，包括：
对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；
以所述PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行控制；
对超声电机的交流输入电压进行采样，并计算电压有效值；
采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新；
以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
2.根据权利要求1所述的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，其特征在于，所述驱动电路为全桥逆变电路，所述驱动电路经匹配电路与超声电机连接，所述匹配电路采用串联电感。
3.根据权利要求1所述的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，其特征在于，所述采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新，具体包括：
步骤201：根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-1),t(k)]内电压有效值的平均值
Figure FDA0002755858420000011
记为在时刻t(k)的有效电压平均值，其中，第k-1时刻t(k-1)到第k时刻t(k)的时间间隔为T1＝s1/fs，s1为第一设定值，fs为驱动频率；
步骤202：根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-s2-1),t(k-s2)]内电压有效值的平均值
Figure FDA0002755858420000012
其中，s2为第二设定值，与超声电机发热导致的温升有关；
步骤203：判断
Figure FDA0002755858420000013
是否小于ΔUmin，得到第一判断结果，其中，ΔUmin为收敛阈值；
步骤204：如果所述第一判断结果表示
Figure FDA0002755858420000014
不小于ΔUmin，则判断
Figure FDA0002755858420000015
是否大于
Figure FDA0002755858420000016
得到第二判断结果；
步骤205：如果第二判断结果表示
Figure FDA0002755858420000021
大于
Figure FDA0002755858420000022
则判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第三判断结果；
步骤206：如果第三判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，并跳转至步骤201，其中，Δf为每次进行驱动频率修正时变化的步长；
步骤207：如果第三判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，并跳转至步骤201；
步骤208：如果第二判断结果表示
Figure FDA0002755858420000023
不大于
Figure FDA0002755858420000024
则判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第四判断结果；
步骤209：如果第四判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，并跳转至步骤201；
步骤210：如果第四判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)，则令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，并跳转至步骤201；
步骤211：如果所述第一判断结果表示
Figure FDA0002755858420000025
小于ΔUmin，则判断
Figure FDA0002755858420000026
是否小于ΔUmin，得到第五判断结果；
步骤212：如果第五判断结果表示
Figure FDA0002755858420000027
小于ΔUmin，则跳转至步骤201；
步骤213：如果第五判断结果表示
Figure FDA0002755858420000028
不小于ΔUmin，则令Δf取反数后，跳转至判断
Figure FDA0002755858420000029
是否大于
Figure FDA00027558584200000210
步骤。
4.根据权利要求3所述的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制方法，其特征在于，所述方法还包括：基于曲面拟合函数，根据超声电机的转矩和转速确定Δf的数值。
5.一种动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统，其特征在于，包括：
第一电压调节模块，用于对超声电机的转速进行采样，并与给定转速进行比较，将得到的差值作为PI控制器的输入；以所述PI控制器的输出作为驱动电路的第一输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行控制；
输入电压采样模块，用于对超声电机的两相交流输入电压进行采样，并计算电压有效值；
驱动频率修正更新模块，用于采用MEPT算法根据所述电压有效值计算不同时刻电压有效值的平均值，并基于不同时刻电压有效值的平均值对驱动频率进行修正更新；
第二电压调节模块，用于以修正更新后的驱动频率作为驱动电路的第二输入控制量对所述驱动电路的输出电压进行调节，直到超声电机效率达到最大值。
6.根据权利要求5所述的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统，其特征在于，所述驱动频率修正更新模块，具体包括：
有效电压平均值计算单元，用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-1),t(k)]内电压有效值的平均值
Figure FDA0002755858420000031
记为在时刻t(k)的有效电压平均值，其中，第k-1时刻t(k-1)到第k时刻t(k)的时间间隔为T1＝s1/fs，s1为第一设定值，fs为驱动频率；
所述有效电压平均值计算单元还用于根据采样得到的所述电压有效值计算在时间段[t(k-s2-1),t(k-s2)]内电压有效值的平均值
Figure FDA0002755858420000032
其中，s2为第二设定值，与超声电机发热导致的温升有关；
第一判断单元，用于判断
Figure FDA0002755858420000033
是否小于ΔUmin，得到第一判断结果，其中，ΔUmin为收敛阈值；
第二判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure FDA0002755858420000034
不小于ΔUmin时，判断
Figure FDA0002755858420000035
是否大于
Figure FDA0002755858420000036
得到第二判断结果；
第三判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure FDA0002755858420000037
大于
Figure FDA0002755858420000038
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第三判断结果；
第四判断单元，用于在第二判断结果表示
Figure FDA0002755858420000039
不大于
Figure FDA00027558584200000310
时，判断fs(k)是否大于fs(k-1)，得到第四判断结果；
第五判断单元，用于在所述第一判断结果表示
Figure FDA00027558584200000311
小于ΔUmin时，判断
Figure FDA00027558584200000312
是否小于ΔUmin，得到第五判断结果；
驱动频率修正更新单元，用于在所述第三判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf，在第三判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf，在第四判断结果表示fs(k)大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)+Δf；在第四判断结果表示fs(k)不大于fs(k-1)时，令fs(k+1)＝fs(k)-Δf；在第五判断结果表示
Figure FDA0002755858420000041
不小于ΔUmin时，令Δf取反数，其中，Δf为每次进行驱动频率修正时变化的步长。
7.根据权利要求6所述的动态工况下超声电机最大效率点跟踪控制系统，其特征在于，所述系统还包括：修正步长确定模块，用于基于曲面拟合函数，根据超声电机的转矩和转速确定Δf的数值。
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