基于相關(guān)性相位提取的超聲電機頻率控制技術(shù)

安國慶 安孟宇 楊少銳 劉慶瑞 李爭

摘要：為了解決溫度和負載的變化容易引起超聲電機轉(zhuǎn)速波動，以及基于轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制因轉(zhuǎn)速傳感器安裝體積和成本在某些特種場合應用受限的問題，提出一種基于相位差信息反饋的頻率閉環(huán)控制方法：首先，根據(jù)電機各類相位差對溫度和負載變化的敏感程度，優(yōu)化選擇了相位差反饋量的類型;其次，針對系統(tǒng)機械噪聲以及驅(qū)動器諧波對相位差計算結(jié)果的影響，利用改進的相關(guān)性相位提取方法準確提取驅(qū)動電壓和孤極電壓的基頻相位差信息;最后，分別就超聲電機運行過程中溫度和負載變化的情況，給出了相應的頻率閉環(huán)控制方案。實驗結(jié)果表明，所提出的方法能有效降低溫度以及負載變化導致的轉(zhuǎn)速波動，可提升電機所在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。由于其只需采樣兩路電壓信號，故易于工程實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電機學;超聲電機;相位差;閉環(huán)控制;相關(guān)性分析

中圖分類號：TM3599文獻標志碼：A

Abstract：In order to solve the problems that the speed of ultrasonic motor is usually affected by the changes of temperature and load， and that due to installation volume and cost of the speed sensor， the closed-loop control based on speed feedback is often limited in some special applications， a frequency closed-loop control method based on phase difference feedback is introduced. Firstly， the type of phase difference feedback quantity is optimally selected according to the sensitivity of different motor phase differences to the temperature and load change; secondly， aiming to the interference of mechanical and harmonic noises on phase difference calculating result， the correlation phase extraction method is proposed to improve the accuracy of phase difference between driving voltage and monitor electrode voltage; lastly， the corresponding frequency closed-loop control scheme is given according to the changes of temperature and load change， respectively. Experiment results indicate that this method can reduce the speed fluctuations caused by the changes of temperature and load， and improve the speed stability of motor system. Because only two voltage signals are needed to be recorded， this method is easy for implementation.

Keywords：electric machinery;ultrasonic motor;phase difference;closed-loop control;correlation analysis

超聲電機具備低速高轉(zhuǎn)矩、快速響應、無電磁噪聲、斷電自鎖等優(yōu)良特性[1-2]，在醫(yī)療設(shè)備、光學儀器、機器人驅(qū)動，航空航天以及新型軍事裝備等領(lǐng)域應用廣泛[3-6]。當電機溫度發(fā)生變化時，其諧振頻率將會發(fā)生偏移[7]。當驅(qū)動頻率不能很好地跟蹤諧振頻率變化時，會導致其轉(zhuǎn)速下降，效率降低[8]。此外，超聲電機的機械特性相對偏軟，當轉(zhuǎn)軸上的負載變化時，其轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生較大波動，大大降低了電機所在系統(tǒng)的可靠性[9]?；谵D(zhuǎn)速監(jiān)測的閉環(huán)反饋控制可以較好地補償轉(zhuǎn)速的變化，但轉(zhuǎn)速傳感器一方面增加了超聲電機所在系統(tǒng)的體積，另一方面使高精度的編碼器增加了系統(tǒng)成本[10]。近年來，基于非轉(zhuǎn)速反饋的超聲電機頻率閉環(huán)控制技術(shù)成為了許多學者研究的熱點，其中基于孤極電壓反饋法和基于驅(qū)動電壓驅(qū)動電流鎖相法逐漸成為了頻率跟蹤控制的主流[11-13]。文獻[14]提出了基于孤極反饋的跟蹤方法，推導出了行波型超聲電機定子上孤極傳感器反饋電壓與其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并利用這一關(guān)系控制了電機的轉(zhuǎn)速。文獻[15]提出了基于驅(qū)動電壓反饋的頻率跟蹤技術(shù)，使驅(qū)動電壓恒定讓電機運行趨于穩(wěn)定，但是單純以孤極電壓或驅(qū)動電壓作為反饋信號很難同時滿足效率、轉(zhuǎn)矩等指標要求。文獻[16]提出基于驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流相位差反饋的方法實現(xiàn)頻率跟蹤控制，設(shè)計了超聲電機相位差負反饋閉環(huán)控制器，改善了溫度等外界因素變化對電機運行轉(zhuǎn)速波動的影響，但由于超聲電機的信號頻率較高，電流信號相對于電壓信號不易測取而導致反饋誤差容易偏大。文獻[17]提及驅(qū)動電壓和孤極電壓相位差與定子阻抗特性的變化具有一致性，且被監(jiān)測信號同為電壓信號，測取方法簡單易于工程實現(xiàn)，具有較大的研究空間。

技術(shù)本文針對超聲電機多應用于特種場合的實際情況，為避開編碼器給超聲電機控制系統(tǒng)帶來的安裝體積和成本問題，擬選用相位差信息作為反饋量進行頻率閉環(huán)控制。根據(jù)電機溫度及負載變化時電機不同相位差信息的變化規(guī)律，優(yōu)化選擇反饋量，并提出一種能夠準確提取基頻相位差信息的方法，以實時調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率，補償電機溫度及負載變化對電機轉(zhuǎn)速帶來的不良影響。

1.1溫度變化時相位差反饋量的對比

1.2負載變化時相位差反饋量的對比

型號為TWUSM-60的行波型超聲電機測得的機械特性如圖5所示。

超聲電機廠家一般推薦按最大轉(zhuǎn)矩為1.5倍實際負載轉(zhuǎn)矩的原則進行電機選型。由圖5可知，電機在實際負載（2/3Tmax）處的轉(zhuǎn)速變化率為38%?？梢姵曤姍C的機械特性較軟，且呈非線性變化，轉(zhuǎn)速易受負載波動的影響，使得超聲電機所在系統(tǒng)的可靠性大大降低。

為探究電機相位信息隨負載的變化規(guī)律，開環(huán)狀態(tài)下，在最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)改變負載，觀察驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流的相位差以及驅(qū)動電壓和孤極電壓的相位差隨負載變化趨勢，如圖6所示。

2相關(guān)性相位提取法

在基于相位差反饋的頻率閉環(huán)控制中，準確提取兩信號基頻相位差是信號檢測的關(guān)鍵。但一方面超聲電機的孤極電壓為陶瓷晶體利用壓電效應產(chǎn)生的電壓信號，常夾雜有電機所在機械系統(tǒng)的背景振動噪聲;另一方面電機驅(qū)動器由于變頻需求含有大量開關(guān)器件，產(chǎn)生較多的諧波噪聲。采用傳統(tǒng)的“過零法”提取相位差信息誤差較大。針對以上問題，利用改進的相關(guān)性相位提取法，以獲取驅(qū)動電壓和孤極電壓的基頻相位差信息，具體方法如下。

3控制系統(tǒng)構(gòu)建及實驗方案

3.1控制系統(tǒng)構(gòu)建

3.2電機溫度變化時的實驗方案

步驟1：記錄在某初始溫度下驅(qū)動電壓和孤極電壓的相位差信息，并將其作為相位差設(shè)定值;

步驟2：實時采集驅(qū)動電壓和孤極電壓信號，利用相關(guān)性相位提取法實時計算兩者相位差;

步驟3：將相位差計算值和設(shè)定值比較，計算偏差值。此時對頻率自動調(diào)節(jié)進行閉環(huán)控制，當相位差計算值大于設(shè)定值時，提升驅(qū)動頻率，減小相位差;當相位差計算值小于設(shè)定值時，降低驅(qū)動頻率，增大相位差，直至偏差量小于設(shè)定閾值為止。

3.3電機負載變化時的實驗方案

4實驗結(jié)果及分析

選用型號為TWUSM-60的行波型超聲電機作為被控對象，選用配套的驅(qū)動器進行變頻控制;將磁粉制動器作為其負載，利用張力控制器進行負載調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器型號為CYT-303，可實時監(jiān)測電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。采用自制的信號調(diào)理電路，信號采集卡型號為Handyscope HS4，電機驅(qū)動電壓峰峰值為315 V，所構(gòu)建的超聲電機實驗平臺如圖8所示。

4.1溫度變化時閉環(huán)反饋控制結(jié)果

4.1.1環(huán)境溫度變化時閉環(huán)反饋控制結(jié)果

測得電機在-15 ℃時，驅(qū)動頻率為41 200 Hz，驅(qū)動電壓和孤極電壓初始相位差為83.4°，本實驗將此作為相位差初始設(shè)定值。利用高低溫交變試驗箱模擬環(huán)境溫度的變化，在電機允許范圍內(nèi)對溫度進行連續(xù)調(diào)節(jié)，在此過程中進行閉環(huán)控制。開環(huán)與閉環(huán)時轉(zhuǎn)速的變化情況如圖10所示。

由圖10可知，當溫度由-15 ℃變化至45 ℃時，開環(huán)控制情況下，電機的轉(zhuǎn)速由100 r/min下降至62 r/min;閉環(huán)控制情況下，電機的轉(zhuǎn)速由100 r/min下降至95 r/min，轉(zhuǎn)速速降由38%降至5%。由此可見，基于驅(qū)動電壓和孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制方法，有效地降低了溫度對電機的影響。

4.1.2電機溫升變化時閉環(huán)反饋控制結(jié)果

實際上，超聲電機在運行過程中由于各種損耗的存在會產(chǎn)生發(fā)熱的情況。實驗在20 ℃的室溫環(huán)境下令電機空載運行。利用紅外測溫的方法監(jiān)測電機連續(xù)運行時，電機定子表面溫度隨時間的變化情況，如圖11所示。

由以上實驗結(jié)果可知，電機的表面溫度由25 ℃變化到39.1 ℃。開環(huán)控制情況下，電機的轉(zhuǎn)速由75 r/min下降至65 r/min;閉環(huán)控制情況下，電機的轉(zhuǎn)速由75 r/min下降至72 r/min，轉(zhuǎn)速速降由13.3%降至4%。由此可見，基于驅(qū)動電壓和孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制方法，有效地降低了電機自身溫升對轉(zhuǎn)速的影響。

4.2負載變化時閉環(huán)反饋控制結(jié)果

經(jīng)測試，電機的最大轉(zhuǎn)矩為0.85 N·m。調(diào)節(jié)負載分別至空載、輕載、中載以及重載4個等級，分別通過改變驅(qū)動器頻率，將轉(zhuǎn)速調(diào)至空載轉(zhuǎn)速n0。實驗過程中在4個負載等級之間增加了3組數(shù)據(jù)以提高擬合精度。相應原始數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖14可知，電機加載到0.6 N·m時，開環(huán)情況下，轉(zhuǎn)速由空載時的100 r/min降至60 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為40%;閉環(huán)情況下，轉(zhuǎn)速由空載時的100 r/min降至95 r/min，轉(zhuǎn)速變化率為5%;因此，基于驅(qū)動電壓與孤極電壓相位差反饋的閉環(huán)控制，能夠降低由于負載變化而引起的轉(zhuǎn)速波動，提高了電機對負載變化的抗擾能力。

5結(jié)語

1）驅(qū)動電壓與孤極電壓的相位差相較于驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流相位差對溫度變化以及負載變化更為敏感，可將前者作為反饋量用于超聲波電機的頻率閉環(huán)控制。

2）改進的相關(guān)性相位提取法可有效濾除機械噪聲和驅(qū)動器諧波對相位差計算結(jié)果的影響，提高相位差提取和閉環(huán)控制準確度。

3）基于驅(qū)動電壓和孤極電壓相位差反饋的頻率閉環(huán)控制方案可降低環(huán)境溫度以及負載變化對電機轉(zhuǎn)速輸出的影響，提高電機所在系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）本文對超聲波電機頻率控制技術(shù)的研究仍然存在許多不足之處。相關(guān)性相位算法在改進以及創(chuàng)新方面還有很大的提升空間，超聲波電機在實際應用中會運行在各種復雜環(huán)境中，對電機閉環(huán)控制的要求會更多，難度也會大大增加。今后將在這些方面繼續(xù)做深入的研究。

參考文獻/References：

[1]牛子杰，孫志峻，陳超，等. 基于響應面模型與自適應遺傳算法的中空型行波超聲電機柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報，2014，34（30）：5378-5385.

NIU Zijie， SUN Zhijun， CHEN Chao， et al. Optimization of the rotor structure of a hollow traveling wave ultrasonic motor based on response surface methodology and self-adaptive genetic algorithm[J]. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（30）： 5378-5385

[2]張軍，時運來，梁大志，等. 直線超聲電機驅(qū)動精密二維定位平臺系統(tǒng)[J]. 中國電機工程學報，2014，34（18）：2960-2966.ZHANG Jun， SHI Yunlai， LIANG Dazhi， et al. A 2-D precision positioning table system driven by linear ultrasonic motors[J]. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（18）： 2960-2966.

[3]夏長亮，徐紹輝，史婷娜，等. 基于遺傳算法的超聲波電機模糊自適應速度控制[J]. 中國電機工程學報，2003，23（3）：99-103.XIA Changliang， XU Shaohui， SHI Tingna， et al. Fuzzy adaptive speed control for ultrasonic motor based on genetic algorithm[J]. Proceedings of the CSEE， 2003，23（3）：99-103.

[4]STEPANENKO D A，MINCHENYA V T.Development and study of novel non-contact ultrasonic motor based on principle of structural asymmetry[J]. Ultrasonics， 2012，52（7）：866-872.

[5]李爭，郭鵬，高世豪.環(huán)形超聲波電機的特性分析與實驗研究[J].微電機，2018，51（5）：17-21.LI Zheng， GUO Peng， GAO Shihao. Characteristic analysis and experimental study of ring ultrasonic motor[J]. Micro motors， 2018， 51（5）： 17-21.

[6]張龍.基于DSP的行波型超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，2004.ZHANG Long. Research on Drive Control System of Traveling Wave Ultrasonic Motor Based on DSP[D]. Hangzhou：Zhejiang Univer-sity， 2004.

[7]王光慶，郭吉豐.超聲波電機頻率-溫度特性研究[J].電機與控制學報，2008，12（6）：675-679.WANG Guangqing， GUO Jifeng. Research on the frequency-temperature characteristics of the ultrasonic motor[J]. Electric Machines and Control， 2008，12（6）： 675-679.

[8]曾勁松，姚志遠，趙淳生.超聲電機中的非線性現(xiàn)象研究[J].中國機械工程，2006，17（10）：1047-1051.ZENG Jinsong， YAO Zhiyuan， ZHAO Chunsheng. Research on non-linear phenomena in ultrasonic motor[J]. China Mechanical Engineering， 2006，17（10）： 1047-1051.

[9]陳勝，雷向紅.超聲電機的阻抗角特性及其控制技術(shù)研究[J].機電信息，2013，15：94-95.CHEN Sheng， LEI Xianghong. Research on impedance angle characteristics of ultrasonic motor and its control technology[J]. Journal of Mechanical And Electrical Information， 2013， 15：94-95.

[10]李華峰，丁慶軍，陳超.超聲電機啟動可靠性研究[J].中國電機工程學報，2013，33（9）：138-145.LI Huafeng， DING Qingjun， CHEN Chao. Research on startup reliability of ultrasonic motors[J]. Proceedings of the CSEE， 2013， 33（9）： 138-145.

[11]陳志華，趙淳生.一種簡單實用的超聲電機頻率跟蹤控制技術(shù)[J].壓電與聲光，2003，25（2）：149-151.CHEN Zhihua， ZHAO Chunsheng. The control of resonant tracking of ultrasonic motor[J]. Piezoele Ctrics & Acoustooptics， 2003，25（2）： 149-151.

[12]IZUNO Y， HOJO M， NAKAOKA M. Software-based adjusting P-I gain controller for speed-tracking servo system using traveling-wave type ultrasonic motor[C]// IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.[S.l.]： Denver，1994.

[13]趙淳生，朱華.超聲電機技術(shù)的發(fā)展和應用[J].機械制造與自動化，2008，37（3）：1-9.ZHAO Chunsheng， ZHU Hua. Development and application of ultrasonic motors technologies[J]. Machine Building & Automation， 2008，37（3）： 1-9.

[14]陳志華，趙淳生，黃衛(wèi)清.行波型超聲電機速度控制技術(shù)的研究[J].壓電與聲光，2005，27（4）：427-430.CHEN Zhihua， ZHAO Chunsheng， HUANG Weiqing. Research on the speed control techniques of a traveling-wave-type ultrasonic motor[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics， 2005，27（4）： 427-430.

[15]王文浩，郭吉豐，胡錫幸，等.驅(qū)動電壓跟蹤的超聲波電機頻率自適應技術(shù)[J].中國電機工程學報，2010，30（27）：36-41.WANG Wenhao， GUO Jifeng， HU Xixing，et al. A adaptive frequency tracking control strategy for ultrasonic motor using the driving voltage[J]. Proceedings of the CSEE， 2010， 30（27）： 36-41.

[16]甘云華，金龍，胡敏強，等.基于鎖相環(huán)的超聲波電機頻率跟蹤控制技術(shù)[J].哈爾濱理工大學學報，2009，14（2）：66-70.GAN Yunhua， JIN Long， HU Minqiang， et al. Frequency tracking technology of ultrasonic motor based on phase-locked loop[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2009， 14（2）： 66-70.

[17]祖家奎，趙淳生.行波型超聲電機頻率自動跟蹤控制技術(shù)評述[J].微電機，2004，37（6）：47-50.ZU Jiakui， ZHAO Chunsheng. A review for frequency tracking control techniques of traveling wave ultrasonic motors[J]. Micro Motors， 2004，37（6）： 47-50.

[18]SHI Jingzhuo，LV Lin，ZHANG Yu. Dynamic takagi-sugeno model for the control of ultrasonic motor[J]. Journal of Control Science and Engineering， 2011：1-9.

[19]顧菊平，秦申蓓，石斌，等.超聲波電機測試技術(shù)的研究[J].電工技術(shù)學報，2003，18（1）：21-26.GU Juping， QIN Shenbei， SHI Bin， et al. Research on testing techniques of ultrasonic motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2003，18（1）： 21-26.

[20]甘云華，金龍，王心堅，等.超聲波電機自激振蕩驅(qū)動電路的變頻控制特性[J].中國電機工程學報，2008，28（9）：93-97.GAN Yunhua， JIN Long， WANG Xinjian， et al. Characteristic of variable frequency control of self-oscillating driving circuit for utrasonic motor[J]. proceedings of the CSEE， 2008， 28（9）： 93-97.

[21]AN Guoqing， LI Hongru. Stator and rotor faults diagnosis of squirrel cage motor based on fundamental component extraction method[J]. International Journal of Rotating Machinery， 2017： Article ID 1576381.