保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明屬于兩相超聲電機驅動控制技術領域。
【背景技術】
[0002]作為典型的壓電作動器，超聲電機性能的好壞直接受限于壓電材料性能的優(yōu)劣。由于在壓電陶瓷內、定轉子接觸界面上以及定轉子金屬彈性體中的各類損耗的共同作用，在運行過程中，超聲電機內部將產生較多熱量，這些熱量會在較大程度上影響壓電材料的包括柔順常數、壓電系數及介電常數在內的眾多特性參數，進而導致超聲電機性能受到影響。為了抑制因電機溫變特性而對輸出性能造成的不利影響，研究者開發(fā)出了一種行之有效的頻率跟蹤控制技術，即以保持某些可以用來反映電機某種工作狀態(tài)的電機輸出量恒定為目的，以輸入電壓頻率為控制量，建立對電機工作狀態(tài)閉環(huán)調節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)，其中常用于反映電機工作狀態(tài)的反饋量包括電機轉速，輸入電流與輸入電壓間的相位差等。然而，現有頻率自動跟蹤控制技術雖然可保證超聲電機穩(wěn)定工作于某種工作狀態(tài)，比如保持電機轉速或輸入功率恒定，但無法保證超聲電機持續(xù)穩(wěn)定地工作在某種最優(yōu)的工作狀態(tài)下。
[0003]另一方面，現有超聲電機驅動技術中常使用共振頻率或反共振頻率作為電機的工作頻率，但電機無法在這兩個工作點處達到最優(yōu)工作狀態(tài)。因此，現有技術中對初始工作點的不當選擇是導致電機無法達到最優(yōu)工作狀態(tài)的一個最為重要的原因:
[0004]①由于電機工作于共振頻率時電機內部損耗較高，由此導致內部發(fā)熱較為嚴重，進而使得電機特性極不穩(wěn)定，最終在工程實際中選擇工作頻率時常常遠離共振頻率點。
[0005]②雖然工作于反共振頻率處時，電機內部損耗較低，但是仍然未達到損耗最低的狀態(tài)，仍然有改進的空間。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明目的是為了解決現有技術無法保證超聲電機持續(xù)穩(wěn)定地工作在最優(yōu)工作狀態(tài)的問題，提供了一種保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制方法。
[0007]本發(fā)明所述保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括初始頻率測定模塊、初始相位檢測模塊、相位檢測模塊、頻率跟蹤實現模塊和匹配電路；
[0008]初始頻率測定模塊用于確定超聲電機最優(yōu)工作狀態(tài)所對應的工作頻率，以此工作頻率作為初始頻率；
[0009]初始相位檢測模塊用于確定超聲電機以初始頻率工作時，第一個采樣周期內超聲電機的初始相位；
[0010]相位檢測模塊用于實時檢測超聲電機輸入電流與電壓間的相位差，該相位差作為反饋量，與初始相位間的差值作為實時相位數值，實時相位數值驅動頻率跟蹤實現模塊工作；
[0011]頻率跟蹤實現模塊用于生成超聲電機的驅動電壓信號，該驅動電壓信號保持超聲電機持續(xù)工作于損耗最小、受電機溫變特性影響最小的最優(yōu)工作狀態(tài)；
[0012]匹配電路用于將頻率跟蹤實現模塊輸出的驅動電壓信號進行濾波、放大，然后生成加載至超聲電機的信號，加載至超聲電機的信號為正弦電壓信號。
[0013 ]基于保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)的控制方法，該控制方法的具體過程為:
[0014]步驟1、選取一個頻段，在選取頻段內的穩(wěn)速條件下測量超聲電機的輸入功率的頻譜特性，選定輸入功率最小點對應的頻率作為初始工作頻率；
[0015]步驟2、對超聲電機施加兩相正交的交變驅動電壓，驅動電壓的頻率值為初始工作頻率，記錄第一個采樣周期內測定的相位值，作為初始相位值；
[0016]步驟3、采集當前周期的相位采樣值，將相位采樣值與初始相位值做差，將差值變換為驅動信號頻率值該變量，將頻率值該變量與前一采樣周期的工作頻率做差，所得的差值作為驅動電機的電壓信號頻率值；
[0017]步驟4、通過功率放大，將步驟3獲得的電壓信號頻率值生成兩相正交驅動電壓信號，驅動超聲電機。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明解決了現有技術無法保證超聲電機持續(xù)穩(wěn)定地工作在某種最優(yōu)的工作狀態(tài)的問題，其中對傳統(tǒng)工作頻率做了適當的改進，并采用了相位作為反映工作狀態(tài)的反饋量，從而可通過控制算法，依據相位的變化量，得到工作頻率的改變量，最終實現跟蹤最優(yōu)工作狀態(tài)的目的。本發(fā)明的方案可大幅度降低電機損耗，進而降低內部溫升，即可提高電機穩(wěn)定特性，本發(fā)明能夠用于多種數控系統(tǒng)中，例如機器人、小型云臺、相機桅桿等高性能伺服控制場合，具有輸入功率小、特性穩(wěn)定等優(yōu)點，尤其適用于對調速穩(wěn)定性要求高且對輸入功率敏感的超聲電機控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)的原理框圖；
[0020]圖2是采用ShinseiUSR60-E3T型超聲電機確定初始工作頻率的實驗曲線，其中曲線a表示輸入功率，曲線b表示相位；
[0021]圖3是采用ShinseiUSR60-E3T型超聲電機三種不同初始頻率的輸入功率曲線圖；
[0022]圖4是采用Shinsei USR60-E3T型超聲電機三種不同初始頻率的相位曲線圖；
[0023]圖5是采用Shinsei USR60-E3T型超聲電機三種不同初始頻率的工作頻率曲線圖；
[0024]圖6是采用Shinsei USR60-E3T型超聲電機三種不同初始頻率的轉速曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括初始頻率測定模塊、初始相位檢測模塊、相位檢測模塊、頻率跟蹤實現模塊和匹配電路；
[0026]初始頻率測定模塊用于確定超聲電機最優(yōu)工作狀態(tài)所對應的工作頻率，以此工作頻率作為初始頻率；
[0027]初始相位檢測模塊用于確定超聲電機以初始頻率工作時，第一個采樣周期內超聲電機的初始相位；
[0028]相位檢測模塊用于實時檢測超聲電機輸入電流與電壓間的相位差，該相位差作為反饋量，與初始相位間的差值作為實時相位數值，實時相位數值驅動頻率跟蹤實現模塊工作；
[0029]頻率跟蹤實現模塊用于生成超聲電機的驅動電壓信號，該驅動電壓信號保持超聲電機持續(xù)工作于損耗最小、受電機溫變特性影響最小的最優(yōu)工作狀態(tài)；
[0030]匹配電路用于將頻率跟蹤實現模塊輸出的驅動電壓信號進行濾波、放大，然后生成加載至超聲電機的信號，加載至超聲電機的信號為正弦電壓信號。
[0031]本實施方式中，初始頻率測定模塊測定出超聲電機初始工作頻率，初始相位檢測模塊用于記錄運行過程中第一個采樣周期內超聲電機的初始相位，相位檢測模塊用于實時檢測電機輸入電流與電壓間的相位差，前述三個模塊的輸出，即初始頻率數值、初始相位數值及實時相位數值共同作為頻率跟蹤實現模塊的三個輸入，頻率跟蹤實現模塊的輸出為包含控制信息的兩相電壓，再經匹配電路后，最終施加在超聲電機兩輸入端之上，進而完成了對電機控制。
[0032]本實施方式中，初始頻率測定模塊確定的初始頻率為損耗最小、受電機溫變特性影響最小的最優(yōu)工作狀態(tài)所對應的工作頻率。初始相位檢測模塊確定的初始相位為頻率跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位的指令值。
[0033]【具體實施方式】二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，初始頻率測定模塊確定初始頻率的具體過程為:
[0034]使超聲電機保持恒速狀態(tài)，測量超聲電機的功率的頻譜特性，輸入功率最小點所對應的工作頻率即為初始頻率。
[0035]【具體實施方式】三:本實施方式對實施方式一作進一步說明，頻率跟蹤實現模塊生成超聲電機的驅動電壓信號的具體過程為:
[0036]采集當前采樣周期的相位采樣值，將相位采樣值與初始相位值做差，將差值變換為驅動信號頻率值改變量，將頻率值該變量與前一采樣周期獲得的工作頻率做差，所得的差值作為驅動電機信號的頻率值，通過功率放大，將該頻率值生成兩相正交驅動電壓信號。
[0037]【具體實施方式】四:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基于保持輸入功率最小的超聲電機最優(yōu)頻率跟蹤控制系統(tǒng)的控制方法，該控制方法的具體過程為:
[0038]步驟1、選取一個頻段，在選取頻段內的穩(wěn)速條件下測量超聲電機的輸入功率的頻譜特性，選定輸入功率最小點對應的頻率作為初始工作頻率；
[0039]步驟2、對超聲電機施加兩相正交的交變驅動電壓，驅動電壓的頻率值為初始工作頻率，記錄第一個采樣周期內測定的相位值，作為初始相位值；
[0040]步驟3、采集當前周期的相位采樣值，將相位采樣值與初始相位值做差，將差值變換為驅動信號頻率值該變量，將頻率值該變量與前一采樣周期的工作頻率做差，所得的差值作為驅動電機的電壓信號頻率值；
[0041]步驟4、通過功率放