基于輸入電壓非恒等幅值的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于兩相超聲電機(jī)驅(qū)動控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種典型的壓電致動器，超聲電機(jī)可利用定子中壓電材料的壓電效應(yīng)，將所 輸入的電能轉(zhuǎn)化為定子振動形式的機(jī)械能，再依靠外部預(yù)緊力的作用，將振動形式的機(jī)械 能最終轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形式的機(jī)械能，進(jìn)而實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的目的。為了使超聲電機(jī)可W對 負(fù)載輸出機(jī)械能，需要對超聲電機(jī)施加具有正交相位的交變電壓。因此，從上述電機(jī)運(yùn)動機(jī) 理可知，調(diào)節(jié)所施加的交變電壓的頻率或幅值即可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的目的。
[0003] 然而，應(yīng)用現(xiàn)有超聲電機(jī)驅(qū)動方法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制時，具有如下問題：
[0004] (1)為了降低由于電機(jī)溫升而對電機(jī)特性產(chǎn)生的不利影響，輸入電壓的頻率常作 為跟蹤電機(jī)工作點(diǎn)的控制量，即所謂的頻率跟蹤控制方法，具體是指，W反映電機(jī)工作狀態(tài) 的物理量（如輸入電流與電壓間相位差、轉(zhuǎn)速等）作為反饋量，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的頻率， 使得反饋量與預(yù)設(shè)的指令值保持相等，進(jìn)而即可最終實現(xiàn)保持電機(jī)穩(wěn)定工作于某一工作狀 態(tài)的目的。因此，在應(yīng)用了頻率跟蹤控制方法的系統(tǒng)中，無法再使用頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控 制；
[0005] (2)在調(diào)節(jié)幅值時，為了實現(xiàn)效率的最大化，需保持兩相輸入電壓的幅值始終相 同，與此同時，由于壓電陶瓷特性及摩擦產(chǎn)生機(jī)理的共同影響，單獨(dú)調(diào)節(jié)幅值時，超聲電機(jī) 將具有較大的調(diào)速死區(qū)，即無法獲得較低轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致超聲電機(jī)的調(diào)速范圍極為有限，此外， 還存在較大的調(diào)速滯環(huán)特性，即升壓調(diào)速特性與降壓調(diào)速特性相差較大。綜上，運(yùn)一調(diào)速方 法制約著超聲電機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有對超聲電機(jī)的調(diào)幅調(diào)速驅(qū)動方法中，電機(jī)的輸入幅值相 同，單獨(dú)調(diào)節(jié)幅值時，存在調(diào)速死區(qū)大、調(diào)速比小及滯環(huán)大的問題，本發(fā)明提供了一種基于 輸入電壓非恒等幅值的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及方法。
[0007] 基于輸入電壓非恒等幅值的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，它包括轉(zhuǎn)速指令生成模塊、非恒等幅 值電壓生成模塊、匹配電路和轉(zhuǎn)速測量模塊；
[0008] 轉(zhuǎn)速指令生成模塊，用于生成轉(zhuǎn)速指令值；
[0009] 轉(zhuǎn)速測量模塊，用于對超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，獲得轉(zhuǎn)速測量值；
[0010]非恒等幅值電壓生成模塊，用于接收轉(zhuǎn)速指令值和轉(zhuǎn)速測量值，并將轉(zhuǎn)速指令值 作為被減數(shù)與轉(zhuǎn)速測量值作差，根據(jù)滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制需求，獲得進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時所需 的控制變量，該控制變量經(jīng)過功率放大，最終獲得超聲電機(jī)的兩相輸入電壓Ua及Ue; 1] 所述的兩相輸入電壓Ua及Ue為脈寬非恒等的交變電壓，且兩相輸入電壓UA及UB 的脈寬線性相關(guān)，當(dāng)Qn時，QA+Qg=n;當(dāng)QA〉JT時，QA-Qg=n;兩相輸入電壓Ua及Ue的相位差恒定為31/2，
[0012] 所述的超聲電機(jī)的兩相輸入電壓Ua及Ue中的基波成分的幅值均由母線電壓UCC和 脈寬aA決定，其中，

[0015] 電壓Ua中的基波成分的幅
[0016] 電壓Ub中基波成分的幅值
[0017] 其中，Ua和Ub均為交變電壓，aA表示交變電壓Ua的脈寬，a康示交變電壓Ub的 脈寬，n表示諧波階次，且階次為奇數(shù)，t為時間變量，T為信號周期； 陽01引匹配電路，用于對接收的兩相輸入電壓Ua及U遜行濾波、放大，最終實現(xiàn)輸出加載 至超聲電機(jī)的兩相電壓信號近似為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號；
[0019] 所述的超聲電機(jī)為兩相超聲電機(jī)；
[0020] 所述的非恒等幅值電壓生成模塊采用具有功率放大功能的電路/集成忍片實現(xiàn)。
[0021] 基于輸入電壓非恒等幅值的轉(zhuǎn)速控制方法，該方法包括如下步驟：
[0022] 用于生成轉(zhuǎn)速指令值的步驟；
[0023] 用于對超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，獲得轉(zhuǎn)速測量值；
[0024]用于接收轉(zhuǎn)速指令值和轉(zhuǎn)速測量值，并將轉(zhuǎn)速指令值作為被減數(shù)與轉(zhuǎn)速測量值作 差，根據(jù)滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制需求，獲得進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時所需的控制變量，該控制變量經(jīng)過 功率放大，最終獲得超聲電機(jī)的兩相輸入電壓Ua及Ue的步驟；
[00巧]所述的兩相輸入電壓Ua及Ue為脈寬非恒等的交變電壓，且兩相輸入電壓UA及UB的脈寬線性相關(guān)，當(dāng)Qn時，QA+Qg=n;當(dāng)QA〉JT時，QA-Qg=n;兩相輸入電壓 Ua及Ue的相位差恒定為31/2，
[0026] 所述的超聲電機(jī)的兩相輸入電壓Ua及Ue中的基波成分的幅值均由母線電壓UCC和 脈寬aA決定，其中，

[0029] 電壓Ua中的基波成分的幅
[0030] 電壓Ub中基波成分的幅值
[0031]其中，Ua和Ue均為交變電壓，aA表示交變電壓UA的脈寬，aB表示交變電壓Ue的 脈寬，n表示諧波階次，且階次為奇數(shù)，t為時間變量，T為信號周期；
[0032]用于對接收的兩相輸入電壓Ua及Ue進(jìn)行濾波、放大，最終實現(xiàn)輸出加載至超聲電 機(jī)的兩相電壓信號近似為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的步驟。
[0033] 所述的用于接收轉(zhuǎn)速指令值和轉(zhuǎn)速測量值，并將轉(zhuǎn)速指令值作為被減數(shù)與轉(zhuǎn)速測 量值作差，根據(jù)滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制需求，獲得進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時所需的控制變量，該控制變 量經(jīng)過功率放大，最終獲得超聲電機(jī)的兩相輸入電壓Ua及Ue的步驟，采用具有功率放大功 能的電路/集成忍片實現(xiàn)。
[0034] 原理分析：
[0035] 考慮向電機(jī)施加如下具有兩相非恒等幅值的電壓信號，
[0036]
[0037]
[0038] 其中，Ua和Ue均為交變電壓，aA表示交變電壓UA的脈寬，aB表示交變電壓Ue的 脈寬，n為奇數(shù)，t為時間變量，T為信號周期，為母線電壓。
[0039] 之所W稱滿足上述表達(dá)式的兩相電壓具有非恒等的幅值，因為如下兩方面原因： 對于給定的電機(jī)，由于其材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，兩相電壓中各次諧波的幅值均由Ucc及 aA共同決定，其中，第n次諧波的幅值可表示為
;.另一方面， aA作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制變量，其大小并不固定，當(dāng)且僅當(dāng)
時，兩相電壓幅 值才相等，即為【背景技術(shù)】中所述的現(xiàn)有的調(diào)幅調(diào)速方案。 W40] 隨后，由于匹配電路的存在，加之電機(jī)電氣特性所呈現(xiàn)出的容性負(fù)載的特性，公式 一及公式二所示的兩相輸入電壓中的高次諧波成分將被濾除，因而，起主要驅(qū)動作用的即 為如下的基波成分，
[0043] 因此，定子表面某點(diǎn)處第一相及第二相駐波可表示為，
[0046] 其中，當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明所提供的非恒等幅值驅(qū)動方案時，第一相及第二相駐波幅值 分別為

[0049] 式中，W。由兩相驅(qū)動電壓幅值決定，W。表示振動幅值最大值，WA表示定子表面某點(diǎn) 處第一相駐波，We表示定子表面某點(diǎn)處第二相駐波，Wm表示第一相駐波幅值，WW表示第二 相駐波幅值。
[0050] 進(jìn)一步地，根據(jù)波的疊加原理，定子表面所形成的行波可表述為如下形式，
[0052]其中，m為波節(jié)數(shù)，0為位置自由變量。
時，定子表面將形成理想的行波，并且定子表面振動的幅值 最大，通過合理地設(shè)置母線電壓Ucc,即可有效地驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步地輸出轉(zhuǎn)速，此時，即 為現(xiàn)有的調(diào)幅調(diào)速驅(qū)動方案，由此可知，可認(rèn)為本發(fā)明所提供的非恒等幅值驅(qū)動方法是現(xiàn) 有調(diào)幅調(diào)速驅(qū)動方案的拓展。
時，電機(jī)定子表面中存在起驅(qū)動作用的行波的同時，還存在 部分不起驅(qū)動作用的駐波成分，當(dāng)aA越靠近0、31及2 31時，駐波成分越大，此時所產(chǎn)生 的駐波成分雖然不起驅(qū)動作用，但可保證電機(jī)不會因定轉(zhuǎn)子間隙過小而產(chǎn)生較大的阻礙力 矩，進(jìn)而改善定轉(zhuǎn)子間的摩擦特性，因而理論上可降低電機(jī)調(diào)速死區(qū)，提高電機(jī)調(diào)速比。
[0055] 進(jìn)一步地，由超聲電機(jī)驅(qū)動力矩產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)母線電壓Ucc固定時，僅調(diào)節(jié)超 聲電機(jī)第一相輸入電壓Ua所對應(yīng)的脈寬aA即可實現(xiàn)對超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。
[0056]此外，由于第一相輸入電壓Ua所對應(yīng)的脈寬aA與輸入信號的頻率相互獨(dú)立，因 而，保證了與頻率跟蹤控制方法較好的兼容性，為進(jìn)一步提高超聲電機(jī)性能提供了驅(qū)動方 案基礎(chǔ)。
[0057] 本發(fā)明首先生成兩相輸入電壓Ua及Ue,兩相輸入電壓Ua及Ue為脈寬非恒等的交 變電壓，兩相輸入電壓Ua及Ue的相位差恒定為
I并對生成的非恒等的交變電壓進(jìn)行處理 后加載至超聲電機(jī)，從而控制超聲電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速測量模塊實時監(jiān)測超聲電機(jī) 的轉(zhuǎn)速，并將監(jiān)測的轉(zhuǎn)速送至非恒等幅值電壓生成模塊中，用作反饋值，實現(xiàn)兩相具有非恒 等幅值的驅(qū)動電壓的生成；本發(fā)明實質(zhì)上是通過控制滿足一定規(guī)律的超聲電機(jī)的輸入電壓 幅值，實現(xiàn)對定子表面振動幅值的控制，最終實現(xiàn)對超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控。
[0058] 本發(fā)明帶來的有益效果是，本發(fā)明解決了調(diào)幅調(diào)速驅(qū)動方法死區(qū)大、調(diào)速比小及 滯環(huán)大的問題，其中對傳統(tǒng)調(diào)幅調(diào)速方法做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使原有的恒等幅驅(qū)動方法得W 延伸，通過引入可改