基于锁相环的超声波电机频率跟踪控制技术

2007 中国电机工程学会年会论文集·广东东莞
超声波电机在压控振荡器产生的信号频率范围 内都能工作，必须仔细调节电阻电容值，使信 号频率范围尽量与电机的工作频率范围重合。
图 4 闭环工作原理图 Fig. 4 Principle of Closed-loop control system
电路负反馈建立以后，改变比较器相位电 压设定值，电路跟踪设定值变化，电机工作点 发生改变，调节原理如图 5 所示：
图 5 电路跟踪原理图 Fig. 5 Tracking principlewenku.baidu.comof circuit
图 5 中曲线 2 表示开环时采集到的电压电 流相位差信号，接到比较器的反向输入端，曲 线 3 和 4 表示闭环时不同的比较电压设定值， 比较输出分别为曲线 1 和 5，由图可知当设定 值较大时，其比较输出高电平所占比例较大， 输入到压控振荡器的电压平均值也较大，信号 频率相应增大，电机转速较低。由阻抗角和频 率 f 的单调性可知调节电压设定值，可以实现对 电机的调速功能。
（a） 相频特性图
ϕ
ϕref
ϕ var
图 2 特性漂移示意曲线 Fig. 2 Excursion graph of frequency characteristic
2 控制系统设计
超声波电机由两相互差 90º 的高频交流信 号驱动，本系统由四路 PWM 波的硬件产生电 路，驱动超声波电机的电压逆变电路和后端反 馈信号的采集处理电路组成，如图 3 所示。
图 7 反馈信号处理电路 Fig. 7 Process circuit of feedback
电机长时间运行时，电机本体发热等诸多
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因素，会导致电机的工作特性发生变化，两相 电压和相应电流的相位差会出现波动，由实验 得知该波动范围为 10˚左右，相差变化范围相对 较小，所以电路捕捉到的这种微小的变化会对 后面的跟踪精度产生很大的影响。而本系统控 制的精确性很大程度上取决于反馈信号的准确 程度。所以在处理电路的一些环节里对反馈信 号进行了放大处理以提取微小的相位差变化， 提高电路的跟踪精度。
转速趋于平稳，电机转速波动 ± 8%左右。较之
开环有明显提高。
图 8 转速时间曲线 Fig. 8 Graph of speed
School of Electrical Engineering Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China
ABSTRACT: Phase difference between voltage and current is called impedance phase characteristic which reflects stator’s resonance characteristic of ultrasonic motor (USM). Closed loop control of USM is realized using phase-locked loop through gathering phase difference signal between voltage and current. Using this method there’s no need to set isolated pole. By experiments it is proved that the infection of temperature change to USM can be compensated by tracking phase difference, which makes motor run on initial setting point. When setting value is changed, the circuit can follow up phase diversification in a great range, making motor run steadily. KEY WORDS: ultrasonic motor; phase-looked loop; phase difference tracking; speed stability
能否实现对电机工作点的跟踪是衡量驱动 器性能好坏的一个重要指标。超声波电机的孤 极可以很好的反映电机运转时定子的振动状 态，从而可以通过对孤极信号的处理实现超声 波电机的闭环控制。文献[6]中采用孤极电压反馈 控制补偿了电机的频漂特性，达到了一定的控 制目的，但对于一些本身体积较小，在定子上 不易设置孤极的超声波电机，孤极闭环控制不 再适用，这就加大了对电机实现闭环控制的难 度。而相位差闭环控制可以克服这一问题，文 献[7]中采用相位差控制改善了温度变化对电机 运行的影响，但未作更深入的研究。本文从电 机的阻抗特性入手，针对行波超声波电机正常 工作时其驱动频率点在谐振点右侧，阻抗角频 率特性为单调的下降曲线这一特点，设计了超 声波电机相位差负反馈闭环控制器。实验结果
图 6 PWM 波产生电路 Fig. 6 PWM emerging circuit
3.2 驱动电路[11] 超声波电机由两相相差 90º 的高频交流电
压驱动。系统采用直流供电，因此需要逆变升 压电路。常用的有推挽型、全桥变换型和半桥 变换型电路等。推挽式电路在其输入回路中只 有一个开关管的导通压降，而半桥和全桥电路 都有两个开关管的压降，相比较而言，推挽型 电路的通态损耗较小，对于输入电压较低的开 关电路比较有利。故采用推挽逆变式驱动电路 实现驱动信号的逆变升压。 3.3 电压电流采样处理电路
（b） 幅频特性图 图 1 阻抗频率特性图 Fig. 1 Characteristic graph of impedance and
frequency
图 1 中ϕ 为电压超前电流的相位值，由于 超声波电机工作时呈现容性负载特性，故ϕ 为
负值。后面提到的相位差已取绝对值。通常超 声波电机工作在其谐振点右侧平滑区域，由扫 频曲线可知在此区域，电压电流相位差和电机 激励频率 f 为单调的下降曲线关系。图 2 所示为 超声波电机工作区域的相角特性。电机原来工
图 3 闭环控制系统 Fig. 3 Closed-loop control system
信号发生电路采用锁相环 CD4046 芯片。 由锁相环芯片内部的压控振荡器产生高频脉冲 信号，作为双向移位寄存器 74LS194 的时钟信 号，通过初始计数初值设置利用其移位功能产 生四路方波信号，作为推挽逆变电路的开关信 号，移位寄存器左移右移功能可以实现对电机 的正反转控制。逆变电路将 12V 直流转换为能 驱动超声波电机的高频交流信号；反馈端通过 分压电路对超声波电机的一相工作电压和电流 分别进行采样，并通过过零比较将采样信号转 变为方波信号送入 CD4046 鉴相器进行鉴相， 得到电压和电流的相位差；最后将此相位差信 号进行特定的处理后与相位差设定值进行比 较，输出作为 CD4046 压控振荡器的输入电压， 调节压控振荡器的输出频率，实现超声波电机 的相位差内环控制，整个电路工作原理如图 4 所示：
基于锁相环的超声波电机频率跟踪控制技术
甘云华，金龙，王心坚，胡敏强，徐志科
东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096
FREQUENCY TRACKING OF ULTRASONIC MOTOR BASED ON PHASE-LOCKED LOOP
GAN Yun-hua, JIN Long, WANG Xin-jian, HU Min-qiang, XU Zhi-ke
作在 Q0 点，电压电流相位差为ϕref ，驱动频率
为 f0，由于环境温度等因素的影响，电机定子 的谐振特性曲线会发生漂移，有较好的平移性 [8]，如果驱动频率不变，电机工作点将转移至
Q1 点，电压电流相位差增大至ϕvar ，电机转速
下降。此时如果将电机的驱动频率调整为 f1， 电机回到原来工作点，相位差信号回到原值。 所以可以通过采集和处理电机运行时电压电流 相位差信号，不断调整控制器驱动信号频率， 维持相位差不变，使电机始终运行在较佳频率 点。
采用简单的阻容电路和比较器对电压电流 信号进行采样，如图 7 所示。采样信号经过零 比较后转换成两路方波信号，通过鉴相器鉴相 后输出为电压和电流相位差的信号，信号经外 接低通滤波电路滤波成反映相位差变化的直流 电平信号，与设定值进行比较，比较输出作为 压控振荡器的输入，调节输出信号频率，形成 闭环控制系统。
图 9 电机开环运行曲线 Fig. 9 Graph of open-loop control system
如图 10 所示为电机闭环控制曲线图，CH1 为转速随时间变化曲线，CH3 为输入压控振荡 器的调节电压随时间变化曲线，CH4 为电压电 流相位差随时间变化曲线。当通过调节跟踪相 位差变化后，输入压控振荡器的控制电压不断 调整，从而改变电机驱动信号的频率，使电机
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表明该控制方法能改善温度等条件变化对电机 运行转速波动的影响，能大范围跟踪电机工作 点，使电机较稳定地运转。
1 相位差跟踪原理和实现方法
超声波电机工作时，其电压和电流的相位 差反映了电机的阻抗特性。图 1 所示为直径 60mm 环形行波超声波电机的阻抗频率特性图。
0 引言
超声波电机不同于传统的电磁电机，它不 含线圈和绕组，而是由高频交流信号在定子上 激发超声振动，通过摩擦耦合驱动转子做直线 或者旋转运动。由于其定位准，相应快，没有
电磁干扰等优点，在医疗器械、精密仪器、职 能机器人等领域得到了广泛的应用[1-3]。由于超 声波电机的时变性和非线性特征，其定子的谐 振状态随温度等条件的变化会发生漂移[4]，这就 要求超声波电机控制器有自动跟踪电机工作频 率的功能。超声波电机工作时一相电压和该相 电流的相位差能反映电机的阻抗特性和谐振特 性，其转速和电机定子的谐振状态密切相关。 通常超声波电机工作频率范围一般取在定子谐 振点右侧较平滑区域，驱动信号频率是影响电 机工作状态最主要因素之一[5]，所以如果能通过 调节频率跟踪电机工作时的相位差，就可以跟 踪电机的原始设定工作点，克服外界因素对电 机转速的影响。所以对电机进行相位差控制可 以作为对电机进行闭环控制的一种有效的手段 和方法。
3 控制电路组成
3.1 PWM 产生电路 如图 6 所示为 PWM 波产生电路，采用锁
相环芯片 CD4046，该芯片由鉴相器、压控振荡 器和有低通特性的环路滤波器组成[9]。由压控振 荡器产生一定频率的方波信号，经由 74LS194 四分频后输出四路 PWM 波。压控振荡器产生 信号的频率和输入电压成正比，信号中心频率 由锁相环芯片外接的电阻电容确定[10]。为了使
4 实验结果与分析
以直径 60mm 行波超声波电机为实验和研 究的对象，电机开环工作时，随着运行时间的 延长，电机定子温度升高，定子谐振特性发生 漂移，转速会出现明显的下降，如图 8 所示， 转速从 74.8r/min 下降至 66.4r/min；闭环运行时， 使电机尽量在相同条件下启动，转速从 77.1 r/min 下降至 66.0 r/min 并逐渐趋向稳定，实验 结果表明加反馈后相位差闭环控制能一定程度 上跟踪定子谐振频率的漂移，从而不断调整电 机驱动信号的频率，补偿由特性漂移带来的转 速变化。
摘要：电压电流的相位差即阻抗角特性反映了电机定子 的谐振特性，通过采集超声波电机工作时电压电流的相 位差信号，运用锁相环原理锁定电机工作状态，实现了 对超声波电机的闭环控制。此方法对电机结构没有特殊 要求，无需设置孤极。实验证明通过跟踪电机工作时电 压电流的相位差，可以补偿电机本身特性和温度变化等 对电机运行的影响，使电机运行在初始设定工作状态， 提高电机的输出效率。电路中改变比较器初始相位差设 定值，电路可以大范围跟踪相位差变化实现对超声波电 机的稳速功能。 关键词：超声波电机；锁相环；相位差跟踪；稳速