幅值和频率控制自适应切换的超声波电机调速系统和方法

技术领域

本发明涉及一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速系统，属于自动控制领域。 

背景技术

超声波电机是综合性的高新技术产品，它融合了电机、精密机械、新材料和新工艺等各种新技术，日益成为研制现代武器装备和实现工业自动化不可缺少的重要组成器件。和传统电磁感应原理电机相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰等优点。 

超声波电机本身具有良好的控制性能，但需要配合合适的控制技术促使它发挥出来。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速系统和方法，可以实现超声波电机在整个转速范围内线性调速，且在不调速时，速度稳定度在5%范围以内。 

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的： 

一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速系统，包括：弧极电压反馈处理电路、分段控制决策模块、比较模块、控制算法模块、驱动模块、功率放大电路和推挽变换电路； 

弧极电压反馈处理电路，用于将超声波电机的孤极电压值整流为直流信号，再经分压后被分段控制决策模块采集，采集的信号作为转速反馈值V_feedback； 

分段控制决策模块，根据转速反馈值V_feedback选择相对应的控制方式：当转速反馈值V_feedback在低转速区间，使用调频调速方式，当转速反馈值V_feedback在中转速区间时，使用调幅调速方式，当转速反馈值V_feedback在高转速区间时，使用调频调速方式；对应调幅调速方式，则查调幅表给出给定值V_fixed，对应调频调速方式，则查调频表给出给定值V_fixed； 

其中，所述低转速区间、中转速区间和高转速区间共同构成了整个转速区间；这三个转速区间是通过采集超声波电机的调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线并进行曲线分析得到的；其中，在低转速区间内，调频调速方式的线性度好于调幅调速方式；在中转速区间内，调幅调速方式的线性度好于调频调速方式；在高转速区间内，调频调速方式的线性度好于调幅调速方式； 

比较模块，用于将转速反馈值V_feedback与给定值V_fixed进行比较，获得偏差量ek； 

控制算法模块，用于根据偏差量e_k，通过预定算法给出与控制方式相对应的输出控制量V_out，同时也输出表示当前控制方式的控制字标志； 

驱动模块，接收控制字标志和输出控制量V_out，以控制字标志指定的控制方式输出超声波电机驱动脉冲信号； 

功率放大电路，用于对所述超声波电机驱动脉冲信号进行功率放大，然后输出给推挽变换电路； 

推挽变换电路，用于将所接收到的超声波电机驱动脉冲信号变成双极性高压方波信号作用到超声波电机两相绕组上。 

优选地，所述孤极电压反馈处理电路包括整流桥芯片DB107、分压电阻R72和R68、一阶RC滤波网络和输出保护稳压管V73；超声波电机的孤极电压值USM1FB经过整流桥芯片DB107整流后，进入R72和R68组成的电阻分压电路，分压后经过一阶RC滤波网络滤波后输出；输出保护稳压管V73接在输出端的 信号、地之间。 

优选地，所述推挽变换电路包括超声波电机A相对应的推挽变换电路和超声波电机B相对应的推挽变换电路；两推挽变换电路的组成和连接相同，均包括：两个限流电阻、两个N沟道MOSFET、两个能量吸收电路、一个脉冲变压器；能量吸收电路二极管与一个电阻并联后串联一个电容组成； 

其连接关系为：DJ2_PWM1+、DJ2_PWM1-为经功率放大后的超声波电机A相或B相的驱动脉冲信号的正、负，DJ2_PWM1+和DJ2_PWM1-分别经限流电阻接入N沟道MOSFET的栅极，该N沟道MOSFET的漏极和源极之间接能量吸收电路，且N沟道MOSFET的漏极接入均接入脉冲变压器。 

本发明还提供了一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速方法，该方法包括： 

步骤一、采集超声波电机的调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线；通过曲线分析，将整个转速区间分为低转速、中转速和高转速三个分段；在低转速区间内，调频调速方式的线性度好于调幅调速方式；在中转速区间内，调幅调速方式的线性度好于调频调速方式；在高转速区间内，调频调速方式的线性度好于调幅调速方式； 

步骤二、采集超声波电机的孤极电压作为转速反馈值V_feedback； 

步骤三、根据转速反馈值V_feedback选择相对应的控制方式：当转速反馈值V_feedback在所述低转速区间，使用调频调速方式，当转速反馈值V_feedback在所述中转速区间时，使用调幅调速方式，当转速反馈值V_feedback在所述高转速区间时，使用调频调速方式； 

步骤四、采用选定的控制方式产生给定值V_fixed，并与转速反馈值V_feedback进行比较，获得偏差量e_k；根据偏差量e_k，采用选定的控制方式对超声波电机进行控制。 

对于60型行波型超声波电机，所述低转速区间为0～40r/min，所述中转速区间为40～100r/min，所述高转速区间为100r/min～150r/min。 

有益效果： 

本发明结合超声波电机控制实测曲线，提出了一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速技术，将整个转速范围转速分为三段，分别采用调频或调幅控制，使得超声波电机在整个转速范围内线性调速。且本发明采用反馈控制方案，在不调速时，速度稳定度在5%范围以内，效果明显。 

此外，本发明设计的推挽变换电路，当MOSFET关断瞬间，脉冲变压器漏感产生的尖峰电压通过能量吸收电路形成回路后，能量吸收电路中电容上的电压缓慢上升，就不会对MOSFET产生过电压冲击。在MOSFET开通时，能量吸收电路中电容上的能量经MOSFET释放，加快了开通。 

附图说明

图1为电压幅值调节方式下转速与电压幅值关系曲线； 

其中，纵坐标为电机转速（r/min），横坐标为电压幅值（V）； 

图2为频率调节方式下转速与驱动频率值关系曲线； 

其中，纵坐标为电机转速（r/min），横坐标为频率（kHz）； 

图3为本发明原理框图； 

图4为孤极电压反馈处理电路； 

图5为推挽变换电路，其中(a)为A相，(b)为B相。 

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 

超声波电机的控制量有三种，分别是电压幅值、频率和相位差。通过任意 一种控制量的控制均可以实现超声波电机控制。但是单一控制量的控制效果不够理想。图1和图2示出了60型行波型超声波电机调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线。图1中纵坐标为电机转速，单位为r/min；横坐标为电压幅值，单位为V。图2中纵坐标为电机转速，单位为r/min；横坐标为频率，单位为kHz。从图中可以看出，在转速为0～40r/min时，使用固定幅值、调节频率的方式会启动稳定、可靠，容易得到线性曲线；在转速为40～100r/min时，使用频率固定、调节电压幅值的方式线性度好于使用固定幅值、调节频率的方式；在转速为100r/min～150r/min时，使用固定幅值、调节频率的方式会得到较好的线性度。 

在实际中，不同型号的超声波电机其分段值不一定是40和100，但是通过研究多种型号超声波电机的调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线可知，整个转速区间分为低转速、中转速和高转速三个分段。在低转速时，采用频率控制方式线性度较好，中转速时，采用幅值控制方式线性度较好，高转速时，采用频率控制方式线性度较好。而低转速与中转速之间的分段值，以及中转速与高转速之间的分段值，可以通过分析调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线获得。 

基于上述思想，本发明提出了一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速方法，该方法采用闭环控制+分段控制的方案，可以实现超声波电机在整个转速范围内线性调速，且在不调速时，速度稳定度在5%范围以内。该方法包括以下步骤： 

步骤一、采集超声波电机的调幅调速控制实测曲线和调频调速控制实测曲线；通过曲线分析，将整个转速区间分为低转速、中转速和高转速三个分段；在低转速区间内，调频调速方式的线性度好于调幅调速方式；在中转速区间内，调幅调速方式的线性度好于调频调速方式；在高转速区间内，调频调速方式的 线性度好于调幅调速方式。 

本实施例中，通过研究图1和图2，所划分的三个区间为： 

低转速区间：0～40r/min； 

中转速区间：40～100r/min； 

高转速区间：100r/min～150r/min。 

步骤二、采集超声波电机的孤极电压作为转速反馈值V_feedback； 

步骤三、根据转速反馈值V_feedback选择相对应的控制方式：当转速反馈值V_feedback在低转速区间，使用调频调速方式，当转速反馈值V_feedback在中转速区间时，使用调幅调速方式，当转速反馈值V_feedback在高转速区间时，使用调频调速方式。 

对于图1和图2对应的某新型行波型超声波电机，当转速反馈值V_feedback在0～40r/min区间，使用调频调速方式，当转速反馈值V_feedback在40～100r/min区间时，使用调幅调速方式，当转速反馈值V_feedback在100r/min～150r/min区间时，使用调频调速方式。 

步骤四、采用选定的控制方式产生给定值V_fixed，并与转速反馈值V_feedback进行比较，获得偏差量e_k；根据偏差量e_k，采用选定的控制方式对超声波电机进行调速。 

基于上述分段控制方案，本发明还提出了一种幅值和频率控制自适应切换的超声波电机分段调速系统，如图3所示，该系统包括弧极电压反馈处理电路、分段控制决策模块、比较模块、控制算法模块、驱动模块、功率放大电路和推挽变换电路。其中，分段控制决策模块、比较模块和控制算法模块可以采用处理芯片实现。 

本发明将超声波电机的孤极电压值作为转速反馈信号，孤极电压值为一个与激振频率同频的交流信号。弧极电压反馈处理电路用于将超声波电机的孤极 电压值整流为直流信号，再经分压后被分段控制决策模块采集，采集的信号作为转速反馈值V_feedback。 

孤极电压反馈处理电路如附图4所示。USM1FB为超声波电机的孤极电压值，MOTOR_12V_GND为超声波电机驱动地，D1器件DB107为整流桥芯片，DB107输入端连接超声波电机的孤极电压端，R72和R68为分压电阻，电阻R64与电容C17、电容C21构成RC滤波网络，V73为输出保护稳压管。USM1FB经过D1整流后，进入电阻分压电路，分压后经过一阶滤波网络滤波后输出。 

分段控制决策模块，用于根据转速反馈值V_feedback选择相对应的控制方式。具体来说：当转速反馈值V_feedback在0～40r/min区间，使用调频调速方式，当转速反馈值V_feedback在40～100r/min区间时，使用调幅调速方式，当转速反馈值V_feedback在100r/min～150r/min区间时，使用调频调速方式；对应调幅调速方式，则查调幅表给出给定值V_fixed，对应调频调速方式，则查调频表给出给定值V_fixed。 

比较模块，用于将转速反馈值V_feedback与给定值V_fixed进行比较，计算偏差量ek。 

控制算法模块，用于根据偏差量e_k，通过预定算法给出与控制方式相对应的输出控制量V_out。在调幅调速方式下，输出控制量V_out为输出占空比，在调频调速方式下，输出控制量V_out为分频值，同时也输出表示当前控制方式的控制字标志Flag_Control，Flag_Control为一个字节变量，当等于0x55时，表示调幅控制模式，当等于0xAA时，表示调频控制模式。 

驱动模块采用FPGA实现，FPGA接收控制字标志Flag_Control和输出控制量V_out，判断如果Flag_Control等于0x55，则进入调幅控制模式，将频率固定，根据输出控制量V_out（占空比）输出超声波电机驱动脉冲信号Pulse_signalA+,Pulse_signalA-,Pulse_signalB+,Pulse_signalB-；如果Flag_Control等于0xAA，则进入调频控制模式，将占空比固定，根据输出控制量V_out（分频 值）输出超声波电机驱动脉冲信号Pulse_signalA+,Pulse_signalA-,Pulse_signalB+,Pulse_signalB-。 

功率放大电路，用于对超声波电机驱动脉冲信号进行功率放大，然后输出给推挽变换电路。 

推挽变换电路，用于将所接收到的超声波电机驱动脉冲信号变成双极性高压方波信号，经过LC匹配电路滤掉高次谐波后作用到超声波电机两相绕组上，驱动超声波电机稳定运行。运行过程中，如要稳速运行，则给定值V_fixed不变；如要调速运行，则分段进行判断，给定值V_fixed刷新。 

推挽变换电路如附图5所示。附图5(a)中DJ2_PWM1A+、DJ2_PWM1A-为功率放大后的超声波电机驱动脉冲信号；R36、R38为限流电阻；V45、V46为N沟道MOSFET IRF540；二极管V61、电阻R52和电容C5，组成V45的MOSFET能量吸收电路，二极管V62、电阻R53和电容C6，组成V46的MOSFET能量吸收电路，T3为脉冲变压器，MOTOR_12V为脉冲变压器初级电源，MOTOR_12V_GND为脉冲变压器初级电源地。DJ2_PWM1A+通过限流电阻R38接入V45的栅极，二极管V61与电阻R52并联后串联电容C5，然后接在V45源极和漏极之间，从而组成V45的MOSFET能量吸收电路。DJ2_PWM1A-通过限流电阻R39接入V46的栅极，二极管V62与电阻R53并联后串联电容C6，然后接在V46源极和漏极之间。V45和V46的漏极均接入T3。 

该电路的工作原理为：DJ2_PWM1A+、DJ2_PWM1A-经过限流电阻后控制MOSFET管的开通与关断，当V45导通时，脉冲变压器初级电流由2流向1，再沿着V45流向初级电源地。此时，脉冲变压器次级为高压正半部分，当V46导通时，脉冲变压器初级电流由2流向3，再沿着V46流向初级电源地。此时，脉冲变压器次级为高压负半部分。当MOSFET V45关断瞬间，变压器T3漏感产生的尖峰电压通过V61和C5形成回路后，C5上的电压缓慢上升，就不会对 MOSFET V45产生过电压冲击。在MOSFET V45开通时，C5上的能量通过R52经MOSFET V45释放，加快了开通。V62,R53和C6组成MOSFET能量吸收电路原理相同。 

附图5（b）为超声波电机B相相应电路，原理同附图5（a）。 

使用单一的控制方式（调幅、调频），在整个速度段为非线性的，实际测试结果详见附图1和附图2。使用分段调节控制方式，线性度≤2%FS。 

使用开环控制方式，发送指令使得超声波电机按照初始设定速度运行，在电机运行10分钟后，使用速度传感器对超声波电机输出轴速度进行测量，发现速度下降，且达到10%。 

使用此控制方式，发送指令使得超声波电机按照设定速度运行，在电机运行10分钟后，使用速度传感器对超声波电机输出轴速度进行测量，发现速度变化量小，在5%范围内。 

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。