效率优化控制的超声波电机系统技术方案

本发明专利技术涉及超声波电机控制领域，特别是一种效率优化控制的超声波电机系统，包括两相行波超声波电机、为所述超声波电机提供驱动的Ｈ桥驱动电路、为所述驱动电路提供控制信号的Ｈ桥相移ＰＷＭ控制信号发生器，以及所述超声波电机的控制系统，所述超声波电机的控制系统包括转速闭环和电压闭环。由于在驱动电压控制中加入能够提高效率的效率优化控制器，并且在转速闭环控制中加入补偿效率优化控制影响的转速前馈控制器，从而可靠地实现了超声波电机的效率优化控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波电机控制领域，特别是一种效率优化控制的超声波电机系统。
技术介绍
超声波电机USM是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电磁电机的工 作原理与结构。USM的特点使其在高端及普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。提高电机驱动系统的效率以节约能源是研究者不懈追求的目标。超声波电机虽有 诸多优点，但超声波电机运动控制系统的运行效率远低于传统电磁电机。而目前超声波电 机的主要应用场合，如照相机、手表、汽车电子及美国的火星探路者等，均为有限能源供电 场合，低效率严重制约了超声波电机在相关领域的应用。因而，低效率已成为超声波电机领 域必须研究解决的关键问题之一。要提高超声波电机系统的运行效率，可从电机本体设计、驱动电路拓扑结构、效率 优化控制策略等几方面着手进行研究。在电机本体研究方面，国内外学者已经做了大量研 究工作以提高电机本体的机电能量转换效率，在电机设计的方方面面都考虑到了提高机电 能量转换效率的问题，并针对不同结构、不同能量传递形式的各类型超声波电机进行了许 多有益的尝试，在定转子材料与摩擦材料选择与制备、定转子结构优化设计、振动模态优化 设计、谐波模态分离、模态一致性调节、预紧力优化等方面都有文献发表。这些研究工作为 超声波电机驱动、控制方法的研究提供了有力支撑。在功率驱动电路拓扑结构方面，为减小逆变电路损耗，已有关于用软开关技术应 用的研究。在超声波电机控制策略研究方面，关于效率优化的研究不多，更多的是对非优化 控制策略的研究。根据对实验数据的分析，固定相位差，调节频率使得驱动电压有效值达到 最小值时，电机效率最高。基于这一认识，现有技术提出了很多方法与系统，对超声波电机 进行控制，但是仍存在诸多缺陷，不能实现真正的效率优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种效率优化控制的超声波电机系统，用以解决的现有技术 不能真正实现效率优化控制的问题。为实现上述目的，本专利技术的方案是一种效率优化控制的超声波电机系统，包括转 速闭环与驱动电压闭环，所述转速闭环包括所述超声波电机及其H桥驱动电路，相移PWM信 号发生器对所述H桥驱动电路提供控制信号，所述相移PWM信号发生器的输入端分别连接 转速闭环的频率调节单元的输出端和驱动电压闭环的占空比调节单元的输出端，所述驱动 电压闭环的输入端设置有效率优化控制器，所述转速闭环中设有用于降低效率优化控制对 转速控制的影响、对转速偏差进行补偿的转速前馈控制器，所述转速前馈控制器的一个输 入端连接转速闭环的输入端，另一个输入端连接所述驱动电压闭环的输入端，输出端连接 在所述频率调节单元的输入端上。由于在驱动电压控制中加入能够提高效率的效率优化控制器，并且在转速闭环控4制中加入补偿效率优化控制影响的转速前馈控制器，从而可靠地实现了超声波电机的效率 优化控制。所述转速闭环的超声波电机上设有转速测量模块，该模块测量电机转速，并且将 转速信号输出到一个转速反馈比较器的一个输入端，所述转速反馈比较器的另一个输入端 接收转速给定值(幻，输出端连接一个转速控制器的输入端，所述转速控制器的输出 端与所述转速前馈控制器的输出端均连接一个频率比较器，所述频率比较器连接在所述转 速控制器与所述频率调节器之间，该频率比较器的一个输入端连接所述转速控制器的输出 端，其另一个输入端连接所述转速前馈控制器的输出端，其输出端通过一个频率调节电压 连接所述相移PWM信号发生器的对应输入端；所述转速反馈比较器将输入的转速给定值 Nref{k)与所述转速测量模块提供的转速信号做减法，将生成的转速误差^ (幻输出给所述 转速控制器，所述转速控制器按照给定的闭环算法处理输入的转速误差e ik)，生成能够减 少误差的驱动频率值幻，连同所述转速前馈控制器的输出a(幻，通过所述频率比较器 做加法，叠加而成的信号u {k)通过所述频率调节器输出给所述相移PWM控制信号发生器。所述驱动电压闭环由输出给定驱动电压的外环和调节电机驱动电压的内环 构成，该内环包括A、B两相相同的电压控制器，所述两相电压控制器的输出端分别连接所 述占空比调节器的输入端，所述占空比调节器的输出端连接相移PWM控制信号发生器的对 应输入端，为相移PWM控制信号发生器提供驱动电压幅度控制信号，A、B相电压控制器各自 的输入端分别连接一个驱动电压比较器的输出端，每个驱动电压比较器的两个输入端分别 接收各自相的实际驱动电压与给定驱动电压Uref，并将两输入信号做减法，使生成的电压 误差作为输出，作为对应A相或B相电压控制器的输入信号；所述外环包括效率优化控制 器，效率优化控制器的一个输入端连接一个系统输入功率反馈模块的输出端，另一个输入 端接收给定驱动电压初始值，其输出端连接所述A、B相驱动电压比较器的输入端， 为所述A、B相驱动电压比较器提供所述给定驱动电压Uref ；所述系统输入功率反馈模块输 出系统输入功率变化量的反馈值，提供给效率优化控制器。所述转速测量模块由一个旋转编码器与一个转速测量反馈单元构成，旋转编码器 固定装配在超声波电机转轴上，旋转编码器输出端连接转速测量反馈单元的输入端，转速 测量反馈单元输出端连接所述转速反馈比较器；旋转编码器输出频率正比于电机转速的方 波信号，输出给所述转速测量反馈单元，所述转速测量反馈单元将接收到的方波信号转化 为电机转速信号，输出给转速反馈比较器。所述系统输入功率反馈模块包括一个系统输入电流比较器，其输入端连接一个系 统输入电流反馈单元，所述系统输入电流反馈单元检测并记录输入电流值，将当前时刻与 前一时刻的电流测量值输出给所述系统输入电流比较器，由系统电流比较器生产当前时刻 的输入电流变化量幻，作为代表输入功率变化量的反馈值。附图说明图1是超声波电机系统框图； 图2是效率调节过程曲线。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。图1所示为超声波电机系统，电机为广泛应用的两相行波超声波电机，采用H桥相 移PWM结构的驱动电路，如图中“相移PWM发生器”、“H桥驱动”环节所示。相移PWM发生器接 收“频率调节单元”给出的频率指令值和“占空比调节”单元给出的占空比指令值，按照这些 指令值产生对应的相移PWM控制信号给H桥驱动电路。H桥驱动电路中的功率电力电子器件 在这些PWM控制信号控制下进行开、关动作，给出高频高压的驱动电压作用于超声波电机的 A、B两相，使超声波电机按期望状态旋转。与常见的推挽式电路相比，采用相移PWM控制方法 的H桥电路在电路效率、输出电压谐波、电压幅值控制线性度等方面的性能都较好。电路输入电源电压为DC12V。主控芯片为电机控制专用DSP芯片DSP56F801，CPLD 主要用于实现H桥相移PWM控制信号发生器，控制功能由DSP编程实现。图1中，旋转编码器E与电机同轴刚性连接，给出频率与电机转速成正比的方波信 号，该信号经“转速测量反馈单元”处理后，给出转速值，作为转速反馈信号提供给“转速控 制器，，。图1中，“A相电压控制器”、“B相电压控制器”、“占空比调节”等单元构成两相驱 动电压幅值的闭环控制，该闭环控制作为内环控制，给定值为Uref (k)，由外环的效率优化 控制器给出。两相驱动电压幅值闭环控制在保证两相电压幅值一致的同时，控制电压幅值 为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种效率优化控制的超声波电机系统，包括转速闭环与驱动电压闭环，所述转速闭环包括所述超声波电机及其Ｈ桥驱动电路，相移ＰＷＭ信号发生器对所述Ｈ桥驱动电路提供控制信号，所述相移ＰＷＭ信号发生器的输入端分别连接转速闭环的频率调节单元的输出端和驱动电压闭环的占空比调节单元的输出端，其特征在于，所述驱动电压闭环的输入端设置有效率优化控制器，所述转速闭环中设有用于降低效率优化控制对转速控制的影响、对转速偏差进行补偿的转速前馈控制器；所述转速前馈控制器的一个输入端连接转速闭环的输入端，另一个输入端连接所述驱动电压闭环的输入端，输出端连接在所述频率调节单元的输入端上。

【技术特征摘要】
一种效率优化控制的超声波电机系统，包括转速闭环与驱动电压闭环，所述转速闭环包括所述超声波电机及其H桥驱动电路，相移PWM信号发生器对所述H桥驱动电路提供控制信号，所述相移PWM信号发生器的输入端分别连接转速闭环的频率调节单元的输出端和驱动电压闭环的占空比调节单元的输出端，其特征在于，所述驱动电压闭环的输入端设置有效率优化控制器，所述转速闭环中设有用于降低效率优化控制对转速控制的影响、对转速偏差进行补偿的转速前馈控制器；所述转速前馈控制器的一个输入端连接转速闭环的输入端，另一个输入端连接所述驱动电压闭环的输入端，输出端连接在所述频率调节单元的输入端上。2.根据权利要求1所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述转 速闭环的超声波电机上设有转速测量模块，该模块测量电机转速，并且将转速信号输出到 一个转速反馈比较器的一个输入端，所述转速反馈比较器的另一个输入端接收转速给定 值OVre/(幻)，输出端连接一个转速控制器的输入端，所述转速控制器的输出端与所述转速 前馈控制器的输出端均连接一个频率比较器，所述频率比较器连接在所述转速控制器与所 述频率调节器之间，该频率比较器的一个输入端连接所述转速控制器的输出端，其另一个 输入端连接所述转速前馈控制器的输出端，其输出端通过一个频率调节电压连接所述相移 PWM信号发生器的对应输入端。3.根据权利要求1所述的一种效率优化控制的超声波电机系统，其特征在于，所述驱 动电压闭环由输出给定驱动电压(Vre/)的外环和调节电机驱动电压的内环构成，该内环包 括A、B两相相同的电压控制器，所述两相电压控制器的输出端分别连接所述占空比调节器 的输入端，所述占空比调节器的输出端连接相移PWM控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：史敬灼，刘博，田葳，石静，王海彦，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]