專利名稱：一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機的控制方法，具有良好的轉(zhuǎn)速控制性能和精度。
背景技術(shù)：
超聲電機(USM)自上世紀80年代初問世以來，就以新穎的工作原理，獨有的性能特點吸引了許多人對它的注意。超聲電機憑借其體積小巧緊湊，重量輕，輸出力矩密度大等特點，廣泛應(yīng)用于低速直接驅(qū)動機構(gòu)，諸如光學(xué)鏡頭驅(qū)動裝置，核磁共振儀等產(chǎn)品。
目前現(xiàn)有的方法主要是通過控制正弦波的頻率來達到控制超聲電機轉(zhuǎn)速的目的，具體方法是通過調(diào)節(jié)通入壓電陶瓷片的高壓高頻正弦波的頻率來調(diào)節(jié)超聲電機轉(zhuǎn)速。根據(jù)超聲電機的工作原理，正弦波頻率在某一頻段范圍內(nèi)，頻率越高超聲電機轉(zhuǎn)速越低。在該頻段外，正弦波頻率過高和過低，超聲電機定子的振動能量均不能傳遞給轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致超聲電機轉(zhuǎn)子不能正常轉(zhuǎn)動，因此正弦波頻率可調(diào)范圍對應(yīng)的超聲電機轉(zhuǎn)速工作范圍只有10轉(zhuǎn)/分 150轉(zhuǎn)/分(60度/秒 900度/秒)。由于目前控制方法限制了超聲電機調(diào)速范圍，使其基本不能運行于60度/秒轉(zhuǎn)速以下或是轉(zhuǎn)速控制效果非常差，嚴重制約了超聲電機的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。另外，傳統(tǒng)的超聲電機控制方法均采用連續(xù)正弦波激勵的方法，超聲電機定子長時間處于連續(xù)高頻振動狀態(tài)并且通過摩擦材料與轉(zhuǎn)子之間相互摩擦，導(dǎo)致超聲電機發(fā)熱嚴重，因此采用傳統(tǒng)控制方法的超聲電機不適于長時間連續(xù)工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，可控制超聲電機運行于超低轉(zhuǎn)速，且具有良好的轉(zhuǎn)速控制性能和精度，解決了現(xiàn)有控制方法制約超聲電機調(diào)速范圍小的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于步驟如下(I)建立間隔激勵信號，并作為控制超聲電機轉(zhuǎn)速的超聲電機激勵信號，所述的間隔激勵信號為周期信號，每一個周期內(nèi)前段信號為正弦波激勵信號，后段信號為零激勵信號；正弦波激勵信號采用激勵信號頻率和激勵信號個數(shù)作為控制參數(shù)，零激勵信號采用激勵時間間隔作為控制參數(shù)，所述的激勵時間間隔為零激勵信號的持續(xù)時間；(2)采用間隔激勵信號控制超聲電機旋轉(zhuǎn)，記錄超聲電機轉(zhuǎn)速與間隔激勵信號中的三個控制參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，形成參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表；(3)接收轉(zhuǎn)速指令，并通過查閱參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表，獲得與該轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的間隔激勵信號中的三個控制參數(shù)，作為修正前參數(shù)；(4)求取實時監(jiān)測的超聲電機轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速指令之間的轉(zhuǎn)速差，將轉(zhuǎn)速差乘以修正參數(shù)后得到激勵信號頻率修正量；(5)將步驟(4)得到的激勵信號頻率修正量與修正前參數(shù)中的激勵信號頻率做和，作為新的激勵信號頻率；將新的激勵信號頻率連同修正前參數(shù)中的激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔一起作為修正后的超聲電機控制參數(shù)，對超聲電機的轉(zhuǎn)速進行控制。所述的參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表的建立方法為根據(jù)超聲電機轉(zhuǎn)速范圍進行轉(zhuǎn)速分段，每一轉(zhuǎn)速段下限轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)以及激勵時間間隔作為超聲電機在該轉(zhuǎn)速段的最優(yōu)控制參數(shù)，所有轉(zhuǎn)速段及對應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)構(gòu)成參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表。所述步驟(4)中修正參數(shù)的計算方法為將相鄰兩轉(zhuǎn)速段各自對應(yīng)的激勵信號頻率之差除以對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之差，并將結(jié)果的單位由度/秒轉(zhuǎn)換為赫茲。所述的轉(zhuǎn)速分段方法為1度/秒以上的轉(zhuǎn)速按照每I度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段，I度/秒以下的轉(zhuǎn)速按照每O. 005度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于I.本發(fā)明通過建立間隔激勵信號，提出了激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)、激勵時間 間隔三個控制參數(shù)，通過設(shè)置激勵時間間隔參數(shù)，微觀上使超聲電機不斷地走走停停，宏觀上可以有效降低超聲電機最低工作轉(zhuǎn)速，克服傳統(tǒng)控制方法對超聲電機最低工作轉(zhuǎn)速的限制，實現(xiàn)超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制。2.本發(fā)明根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差，可以實時修正控制參數(shù)，使超聲電機具有很好的轉(zhuǎn)速控制性能和精度，提高了超聲電機控制系統(tǒng)的抗干擾能力。3.本發(fā)明采用間斷控制策略，降低了超聲電機功耗，有效提高了超聲電機的工作效率，進而降低了超聲電機發(fā)熱量，解決了超聲電機長時間工作引起的發(fā)熱問題。


圖I為本發(fā)明方法的原理框圖。圖2為本發(fā)明超聲電機激勵信號示意圖。圖3為采用本發(fā)明的超聲電機運行于5度/秒時的轉(zhuǎn)速實測曲線。
具體實施例方式本發(fā)明采用間斷式激勵方式，引入了間隔激勵信號概念，該信號包括激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔三個控制參數(shù)，每次激勵信號包含若干個周期的高頻高壓正弦波，通入超聲電機定子的壓電陶瓷片使電機轉(zhuǎn)動，當激勵停止時電機停轉(zhuǎn)，因此一次激勵信號可控制超聲電機轉(zhuǎn)動一個小角度，稱之為步進角。根據(jù)超聲電機的工作原理，激勵信號中，正弦波頻率越低、正弦波周期個數(shù)越多，步進角度就越大。每一次激勵信號可控制電機轉(zhuǎn)動一個步進角，微觀上控制超聲電機以步進方式轉(zhuǎn)動，宏觀上，可以通過調(diào)整步進角大小和激勵時間間隔實現(xiàn)超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制。綜上，本發(fā)明所提出的超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其核心思路為控制超聲電機以步進方式走走停停，實現(xiàn)超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制，通過調(diào)整三個參數(shù)激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)以及激勵時間間隔來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，其中激勵信號頻率越低、激勵信號個數(shù)越多、激勵時間間隔越小，則電機轉(zhuǎn)速就越高。超聲電機在轉(zhuǎn)動時，可能會受到負載干擾的影響以致轉(zhuǎn)速波動較大，為了提高超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制性能，本發(fā)明引入了參數(shù)修正表。參數(shù)修正表根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差實時修正激勵信號頻率這一控制參數(shù)，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，當接收的電機轉(zhuǎn)速檢測信號與轉(zhuǎn)速指令有誤差時，通過參數(shù)修正表對激勵信號進行修正補償，控制電機轉(zhuǎn)速達到轉(zhuǎn)速指令所要求的轉(zhuǎn)速。如圖I、圖2所示，建立間隔激勵信號，并作為最終控制超聲電機轉(zhuǎn)速的超聲電機激勵信號，所述的間隔激勵信號包括工作信號和停止信號兩部分；工作信號為超聲電機正常工作時的正弦波信號，其中包括激勵信號頻率和激勵信號個數(shù)兩個控制參數(shù)，停止信號為超聲電機停止工作時的信號，其中停止信號持續(xù)的時間被定義為激勵時間間隔，作為停止信號的控制參數(shù)；之后建立參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表，用于將轉(zhuǎn)速指令輸入進來的信息轉(zhuǎn)換為上述間隔激勵信號的三個控制參數(shù)；接收轉(zhuǎn)速指令，并通過查閱參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表，獲得與該轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的間隔激勵信號中的三個控制參數(shù)，作為修正前參數(shù)；隨后將轉(zhuǎn)速檢測信號與轉(zhuǎn)速指令的誤差，即轉(zhuǎn)速誤差，再乘以修正參數(shù)后得到激勵信號頻率修正量，得到的激勵信號頻率修正量與修正前參數(shù)中的激勵信號頻率參數(shù)做和，作為新的激勵信號頻率；將新的激勵信號頻率連同修正前參數(shù)中的激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔一起作為修正后的超聲電機控制參數(shù)，對超聲電機的轉(zhuǎn)速進行控制。具體建立轉(zhuǎn)換映射表的方法為根據(jù)超聲電機轉(zhuǎn)速指令的范圍進行轉(zhuǎn)速分段，每一轉(zhuǎn)速段對應(yīng)一組所述的超聲電機的三個控制參數(shù)，所有轉(zhuǎn)速段對應(yīng)的參數(shù)構(gòu)成 參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表。參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表的分段方法為1度/秒以上的轉(zhuǎn)速按照每I度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段，I度/秒以下的轉(zhuǎn)速按照每O. 005度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段。每個轉(zhuǎn)速段預(yù)先設(shè)置一組超聲電機控制參數(shù)，其設(shè)置方法為根據(jù)超聲電機應(yīng)用的實際場所和工況，設(shè)置和調(diào)整出一組對應(yīng)該轉(zhuǎn)速段的控制參數(shù)，且該轉(zhuǎn)速段下限轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)以及激勵時間間隔作為超聲電機在該轉(zhuǎn)速段的最優(yōu)控制參數(shù)，滿足在該轉(zhuǎn)速下超聲電機轉(zhuǎn)速控制性能最優(yōu)。修正參數(shù)的計算方法為將相鄰兩轉(zhuǎn)速段各自對應(yīng)的激勵信號頻率之差除以對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之差，并將結(jié)果由單位度/秒轉(zhuǎn)換為赫茲。實施例下面以一個具體例子來說明本方法的應(yīng)用過程。如圖I所示，當轉(zhuǎn)速指令輸入為5度/秒時，參數(shù)映射表判斷轉(zhuǎn)速指令所處的轉(zhuǎn)速分段區(qū)間為5 6度/秒的轉(zhuǎn)速段，則此時該轉(zhuǎn)速段對應(yīng)的三個控制參數(shù)為5度/秒時的參數(shù)，分別為激勵信號頻率為41. 2KHz,激勵信號個數(shù)為9個，激勵時間間隔為9. 7ms。這三個參數(shù)是通過實際系統(tǒng)調(diào)試得出的對于該轉(zhuǎn)速段的最優(yōu)參數(shù)。當超聲電機實際運行時，由于外部負載等干擾因素，轉(zhuǎn)速并不是穩(wěn)定的5度/秒，通過參數(shù)修正表接收轉(zhuǎn)速檢測信號和轉(zhuǎn)速指令信號做差，得到轉(zhuǎn)速誤差，根據(jù)該誤差實時修正激勵信號頻率。當外部負載突然增大時，電機轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低至4. 95度/秒，轉(zhuǎn)速誤差為O. 05度/秒。6 7度/秒轉(zhuǎn)速段對應(yīng)的激勵信號頻率為40. 35KHz，故此時參數(shù)修正表對應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)為(40.35-41.2)/(6-5) =-O. 85，轉(zhuǎn)速誤差乘上轉(zhuǎn)換系數(shù)，得到-O. 0425KHz,即為修正參數(shù)。修正參數(shù)與修正前參數(shù)相加,得到最終的控制參數(shù)為激勵信號頻率為41. 157KHz，激勵信號個數(shù)為9個，激勵時間間隔為9. 7ms，超聲電機激勵信號如圖2所示。本實例采用南京萬瑪公司超聲電機，型號為60SES3，實測的轉(zhuǎn)速指令為5度/秒時的轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示，從圖中可以看出，采用本發(fā)明的一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，當控制超聲電機在5度/秒運行時，其實測轉(zhuǎn)速波動量控制在2 %，表明應(yīng)用本發(fā)明的超聲電機超低速控制方法可以實現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)速控制效果。
權(quán)利要求
1.一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于步驟如下 (1)建立間隔激勵信號，并作為控制超聲電機轉(zhuǎn)速的超聲電機激勵信號，所述的間隔激勵信號為周期信號，每一個周期內(nèi)前段信號為正弦波激勵信號，后段信號為零激勵信號；正弦波激勵信號采用激勵信號頻率和激勵信號個數(shù)作為控制參數(shù)，零激勵信號采用激勵時間間隔作為控制參數(shù)，所述的激勵時間間隔為零激勵信號的持續(xù)時間； (2)采用間隔激勵信號控制超聲電機旋轉(zhuǎn)，記錄超聲電機轉(zhuǎn)速與間隔激勵信號中的三個控制參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，形成參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表； (3)接收轉(zhuǎn)速指令，并通過查閱參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表，獲得與該轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的間隔激勵信號中的三個控制參數(shù)，作為修正前參數(shù)； (4)求取實時監(jiān)測的超聲電機轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速指令之間的轉(zhuǎn)速差，將轉(zhuǎn)速差乘以修正參數(shù)后得到激勵信號頻率修正量； (5)將步驟(4)得到的激勵信號頻率修正量與修正前參數(shù)中的激勵信號頻率做和，作為新的激勵信號頻率；將新的激勵信號頻率連同修正前參數(shù)中的激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔一起作為修正后的超聲電機控制參數(shù)，對超聲電機的轉(zhuǎn)速進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于所述的參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表的建立方法為根據(jù)超聲電機轉(zhuǎn)速范圍進行轉(zhuǎn)速分段，每一轉(zhuǎn)速段下限轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)以及激勵時間間隔作為超聲電機在該轉(zhuǎn)速段的最優(yōu)控制參數(shù)，所有轉(zhuǎn)速段及對應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù)構(gòu)成參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于所述步驟(4)中修正參數(shù)的計算方法為將相鄰兩轉(zhuǎn)速段各自對應(yīng)的激勵信號頻率之差除以對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之差，并將結(jié)果的單位由度/秒轉(zhuǎn)換為赫茲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，其特征在于所述的轉(zhuǎn)速分段方法為1度/秒以上的轉(zhuǎn)速按照每I度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段，I度/秒以下的轉(zhuǎn)速按照每O. 005度/秒分為一個轉(zhuǎn)速段。
全文摘要
一種超聲電機超低轉(zhuǎn)速控制方法，首先建立間隔激勵信號作為控制超聲電機轉(zhuǎn)速的超聲電機激勵信號，并用激勵信號頻率、激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔作為控制參數(shù)；記錄超聲電機轉(zhuǎn)速與上述三個控制參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，形成參數(shù)轉(zhuǎn)換映射表；接收轉(zhuǎn)速指令，通過轉(zhuǎn)換映射表獲得與之對應(yīng)的三個控制參數(shù)，作為修正前參數(shù)；通過實時監(jiān)測的超聲電機轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速指令計算得到激勵信號頻率修正量，并與修正前參數(shù)中的激勵信號頻率做和，作為新的激勵信號頻率，連同修正前參數(shù)中的激勵信號個數(shù)和激勵時間間隔一起作為修正后的超聲電機控制參數(shù)，對超聲電機的轉(zhuǎn)速進行控制。該方法采用的間斷式激勵可控制超聲電機運行于超低轉(zhuǎn)速，且具有良好的轉(zhuǎn)速控制性能。
文檔編號H02N2/14GK102904482SQ201210378160
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者趙雷, 吳金濤, 翟百臣, 張激揚, 卿濤, 武登云 申請人:北京控制工程研究所