超声波电动机控制技术研究的发展及现状
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对于行波型 U SM , 通过对 U SM 定子两 相压电元件施加具有一定相位差的高频交流 电压, 可在定子中激发一行波, 定子表面质点 作与波行进方向相反的椭圆运动, 若将转子 压在定子上, 则两者仅在 (行波) 波峰点接触, 受摩擦力的作用, 转子向行进波的反方向移 动。依靠行波驱动方式可连续地对转子施加 驱动力, 改变波的方向, 即可改变转子旋转方 向。
U SM 与传统的电机不同, 无绕组和磁 极, 无需通过电磁作用产生运动力。它一般由 振动体 (相当于传统电机中的定子, 由压电陶
Ξ 江苏省青年科学基金资助项目: BQ 96010
— 30 —
超声波电动机控制技术研究的发展及现状
瓷和金属弹性材料制成) 和移动体 (相当于传 统电机中的转子, 由摩擦材料及塑料等制成) 组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交 流电压时, 利用逆压电效应或电致压缩效应 产生几十千赫的超声波振动, 将这种振动通 过振动体与移动体间的摩擦耦合, 变换成移 动体的旋转或直线型运动。
在对电机模型假设时, 可能会存在计算 量多的问题
为离线控制状态, 只适应比较固定的对象
U SM 控制策略中, 能够实现在线辨识 或者在线修正控制器参数的控制策略一般都 能根据 U SM 驱动条件变化引起的特性变 化, 而改变指令位置或速度, 从而达到控制误 差减小和无控制误差的良好控制效果。
表1 几种控制方法的比较
控 制 变 量
控制方法说明
特 点
优 点
缺 点
改变电 压幅值
ຫໍສະໝຸດ Baidu
两相电压幅值相 同
改变行波 波动振幅
两相电压幅 值不同
改变行波振幅和椭圆 运动形状
线 性
调速范围小低速时转 矩小, 有死区
改变相位差
改变定子表面质点的 换向运动平滑, 可 椭圆运动的运动轨迹 实现柔顺控制
不容易实现 低速起动
M any d ifferen t con tro l m ethod s, stra tegy w ere con tra sted. T he d iscu ssion concen tra ted on the p re2 sen t sta tu s of the con tro l techno logy on u ltra son ic m o to rs. A t la st, the developm en t trend s w ere d iscu ssed.
用前馈控制器控制输入
不 足 之 处 没有完全补偿电机的非线性, 利用电机 本身数学模型不足, 负载变化波动大,
控制性能一般 随着U SM 特性的变化, 对其指令位置无
法发生相应的变化, 位置控制性能差
需要嵌入复杂的计算单元
高阶次的数学模型辨识 需要大量的计算时间
要具有较多的电机运行经验
控制精度低, 浪费能源, 可能有切换噪声
— 32 —
策略, 1994年分别进行了使用软件变增益 P I 控制器和改进模糊控制器的 U SM 驱动伺服 系 统 的 定 位 控 制 的 研 究。1990 年 Yo sh iro Tom ikaw a 的 研 究 小 组 开 始 进 行 了 消 除 U SM 残余振动及避免 U SM 金属噪声的驱 动脉冲串波形的研究。1991 年, A tsuo Ka to 等人实现了环形行波型 U SM 的柔顺控制, 并于2年后实现了 U SM 直接驱动机械臂的 柔顺控制。1994年 Tom onobu Sen jyu 等人实 现了自适应控制下的 U SM 自适应速度控 制, 1995年实现了同时控制频率及相位差的 双模控制的 U SM 精密定位控制, 1996年实 现了应用混合控制的精密快速的 U SM 定位 控制, 并进行了应用神经元网络技术进行 U SM 位置控制的研究。1994年, Seiji A oyag i 等人应用相移输入及电压输入与一个模糊控 制器, 实现了 U SM 的快速精密定位控制。 1995年, Kaneko M ako to 等人通过双自由度 的 PWM 控制, 实现了动态控制 U SM 的自 锁 特 性。1995 年, T. Kam ano 等 人 实 现 了 U SM 定位系统的前馈控制。
综合以上各研究小组的工作, 可以了解 到目前U SM 控制技术研究的一些特点及结 果。
对于行波型U SM , 在直接驱动控制系统 中, 控制变量的选择一般选用相位差或者驱 动频率作为控制变量, 在精密快速定位及速 度跟踪控制时, 也常常将二者都选作控制变 量, 通过一定的控制策略进行实际的控制应 用。
增益随时改变, 算法复杂, 在 线进行
模型相近, 参数在线辨识, 随 时调整, 随时补偿速度特性的
偏差 使用基于处理器的两输入单输 出模糊控制器, 控制速度快,
无需电机数学模型
拥有比较良好的线性, 能方便 地在自锁与运动状态间改变
在线学习, 方便地进行变系数 适应, 可实现无静态位置误差
控制 前馈控制器参数自适应算法调 整, 在自适应过程结束后, 使
改变驱动频率
通过调节谐振点附近 响应快, 易于实现
频率控制速度和转矩
低速起动
非线性
改变通 电时间
正反转脉宽 调幅控制
通过调整正反转驱动 时间占空比调速
断续驱动控制 低频断续驱动调速
转矩恒定, 调速范 围宽, 近线性
转矩恒定, 调速范 围宽, 近线性
有调速效率及音频机 械振动
有切换噪声和 机械振动
超声波电动机的速度控制可采用改变电 压、频率、相位差实现; 也可以通过改变通电 时间 (低频调节占空比) 实现调速。超声波电
叙 词 超声波电动机 控制 技术 发展 现状
D EVELO PM ENT AND PRESENT STATUS O F THE
CO NTROL TECHNOLO GY O N UL TRASO N IC M O TO RS
Abstract T he p ap er review ed the developm en t of the con tro l techno logy on u ltrason ic m o to rs.
1980 年, 日本的 T. Sa sh ida 设计制造了 第一台能满足实用要求的 U SM 电机之后, U SM 就倍受科技界和工业界的重视, 掀起 了研究浪潮, 成为当前电气工程领域的一个 研究热点。目前, 日本在U SM 的研究及应用
领域处于世界领先地位。我国于 90 年代初开 始步入U SM 的研究行列, 开展了U SM 的理 论及实验研究与开发, 已取得了可喜的成果。 随着大量的不同的结构的 U SM 的开发和基 础理论研究的深入以及 U SM 的商业化, 目 前在日本 U SM 的研究更多地侧重于 U SM 的控制技术研究和控制装置的开发。
微电机 1998 年 第 31 卷 第 2 期 (总第 101 期)
综 述·REV IEW
超声波电动机控制技术研究的发展及现状Ξ
胡敏强 石 斌 钱俞寿 (东南大学 南京 210096)
摘 要 综述目前超声波电动机控制技术领域的发展状况, 着重介绍超声波电动机控制方法、控
制策略方面的研究现状及发展趋势。
3 U SM 的控制变量[1, 2 ]
由 U SM 定义及其基本工作原理可知, 在 U SM 中存在两个能量转化过程, 一个是 电能通过压电元件的逆压电效应转化为超声 振动机械能的机电耦合过程; 另一个是由振 动的机械能通过摩擦耦合转化为转子的旋转 运动的机械能的运动耦合过程。对于 U SM 的控制, 控制量的选取要考虑到控制量与这 两个能量转化过程有关。即可以通过改变机 电耦合过程及定转子相互作用的运动耦合过 程控制电机的性能指标。在直接驱动的伺服 控制系统中常需要对 U SM 的位置、速度和 力矩进行控制, 这可通过改变定子环的振动 改变定子表面质点的椭圆运动轨迹形状和大 小进行控制 (见表1)。
4 U SM 的控制策略
在讨论 U SM 的控制策略前, 首先必须 指出 U SM 具有很强的非线性。U SM 利用摩 擦驱动, 定转子之间滑动率不能完全确定, 而 且其定子谐振频率又会随温度的变化而变 化, 同时由于压力和摩擦驱动转矩沿定子环 的分布性, U SM 本身具有复杂的非线性。随 着驱动条件的变化 (温度、负载转矩、控制输 入的变化) , U SM 的特性会发生变化。其次, 由于 U SM 的基本结构及工作原理完全不同 于传统的电磁电机, 理论上的动态及静态数 学建模非常困难, 目前还没有基于 U SM 传 递函数的同时表示 U SM 动静态性能的数学 模型, 因而传统的控制策略在 U SM 控制上 遇到了挑战。另外, U SM 显然不能像步进电 机那样可以在开环状态下受脉冲序列所控 制, 而只能采用闭环控制。在对位置、速度、力 矩有要求时则更要求采用闭环控制方式。以 下是进入90年代后日本在 U SM 定位及速度 跟踪控制方面研究的概况。
U SM 伺 服 控 制 系 统 一 般 由 商 业 化 的 U SM 、机械负载、高频 DC- DC 斩波器、两相 高频 (使用串联压电负载谐振参数的) 谐振逆 变器、脉冲编码器、信号处理接口和控制器。 其中由控制器决定对控制变量的控制。而在
如何控制控制变量上, 则根据不同的控制策 略的选择而有所不同。表2为各种控制策略的 一个简单的比较。
U SM 作为一种新型的小电机, 其本身 的技术发展就离不开电子控制和驱动, 以电 机本体很难确定电机的性能、价格和功能。控 制技术的好坏, 关系到能否充分发挥 U SM 卓越性能, 会直接影响 U SM 的应用和推广, 因而开展 U SM 控制方面的研究是非常重要的。
2 U SM 的工作原理及控制机理
Keywords u ltrason ic m o to r, con tro l, techno logy, developm en t, p resen t statu s
1 引 言
超声波电动机 (U ltra son ic M o to r, 简称 U SM ) 是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激 发超声振动, 通过摩擦耦合驱动, 将电能转换 为机械能输出的新型直接驱动电机。U SM 性能卓越, 具有诸如低速大转矩、功率密度 大、无电磁干扰、动态响应快、运行无噪声等 特点。 在非连续运动领域及精密控制领域, U SM 要比普通的电磁电机优越的多。 在工 业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、 办公自动化设备、智能机器人等领域, U SM 有广阔的应用前景。
1986年日本的 T akesh i H a t suzaw a 系统 的研究了环形行波型 U SM 的速度控制特 性, 得到了 U SM 速度与驱动电压、驱动频 率、相位差及正反转切换频率之间的关系。 1990年 Yu jilzuno 等人实现了 U SM 的负载 自适应跟踪控制的两相谐振逆变器, 次年实 现了基于模糊推理的高性能速度 位置控制
通过改变激励 U SM 定子两相电压的幅 值, 调节两相相位差及驱动频率, 可以控制行 波波峰点的速度, 进而达到控制 U SM 电机 运动特性的目的。由于行波型 U SM 是所有
类型中结构最简单、用途最广、商业化最早的 一种, 因而目前的 U SM 控制技术和控制器 的研究多是针对行波型U SM 而言的。
超声波电动机控制技术研究的发展及现状
表2 各种控制策略的比较
控制策略 负载自适应频率
跟踪控制 P I 控制 软件变增益 P I 控制器 自适应控制
双模模糊控制 正反转 PWM 控制 神经元网络控制
前馈控制
控 制 的 特 点
驱动频率始终能够跟随定子谐 振频率的变化转速在恒负载下
能维持一定
增益固定, 控制算法简单, 控 制器调整方便
动机的位置控制可通过位置传感器进行反馈 控制; 转矩大小可由相位差控制实现。电机转 向的改变可通过改变两相供电电源相位实
— 31 —
微电机 1998 年 第 31 卷 第 2 期 (总第 101 期)
现。本文对现有 U SM 的几种控制方法的性 能进行了分析比较, 结果如表1所示。
由表1可见, 变频控制最适合于超声波电 动机的控制, 它一方面可充分利用超声波电 动机的低速大转矩、动态快速响应、无噪声等 优点, 同时能保持较高的工作效率。相位差控 制技术可无切换地实现转向的平滑改变, 通 过控制相位差控制输出轴的角度、转速及力 矩, 有良好的柔顺特性, 适用于需要柔顺驱动 的控制系统。
U SM 与传统的电机不同, 无绕组和磁 极, 无需通过电磁作用产生运动力。它一般由 振动体 (相当于传统电机中的定子, 由压电陶
Ξ 江苏省青年科学基金资助项目: BQ 96010
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超声波电动机控制技术研究的发展及现状
瓷和金属弹性材料制成) 和移动体 (相当于传 统电机中的转子, 由摩擦材料及塑料等制成) 组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交 流电压时, 利用逆压电效应或电致压缩效应 产生几十千赫的超声波振动, 将这种振动通 过振动体与移动体间的摩擦耦合, 变换成移 动体的旋转或直线型运动。
在对电机模型假设时, 可能会存在计算 量多的问题
为离线控制状态, 只适应比较固定的对象
U SM 控制策略中, 能够实现在线辨识 或者在线修正控制器参数的控制策略一般都 能根据 U SM 驱动条件变化引起的特性变 化, 而改变指令位置或速度, 从而达到控制误 差减小和无控制误差的良好控制效果。
表1 几种控制方法的比较
控 制 变 量
控制方法说明
特 点
优 点
缺 点
改变电 压幅值
ຫໍສະໝຸດ Baidu
两相电压幅值相 同
改变行波 波动振幅
两相电压幅 值不同
改变行波振幅和椭圆 运动形状
线 性
调速范围小低速时转 矩小, 有死区
改变相位差
改变定子表面质点的 换向运动平滑, 可 椭圆运动的运动轨迹 实现柔顺控制
不容易实现 低速起动
M any d ifferen t con tro l m ethod s, stra tegy w ere con tra sted. T he d iscu ssion concen tra ted on the p re2 sen t sta tu s of the con tro l techno logy on u ltra son ic m o to rs. A t la st, the developm en t trend s w ere d iscu ssed.
用前馈控制器控制输入
不 足 之 处 没有完全补偿电机的非线性, 利用电机 本身数学模型不足, 负载变化波动大,
控制性能一般 随着U SM 特性的变化, 对其指令位置无
法发生相应的变化, 位置控制性能差
需要嵌入复杂的计算单元
高阶次的数学模型辨识 需要大量的计算时间
要具有较多的电机运行经验
控制精度低, 浪费能源, 可能有切换噪声
— 32 —
策略, 1994年分别进行了使用软件变增益 P I 控制器和改进模糊控制器的 U SM 驱动伺服 系 统 的 定 位 控 制 的 研 究。1990 年 Yo sh iro Tom ikaw a 的 研 究 小 组 开 始 进 行 了 消 除 U SM 残余振动及避免 U SM 金属噪声的驱 动脉冲串波形的研究。1991 年, A tsuo Ka to 等人实现了环形行波型 U SM 的柔顺控制, 并于2年后实现了 U SM 直接驱动机械臂的 柔顺控制。1994年 Tom onobu Sen jyu 等人实 现了自适应控制下的 U SM 自适应速度控 制, 1995年实现了同时控制频率及相位差的 双模控制的 U SM 精密定位控制, 1996年实 现了应用混合控制的精密快速的 U SM 定位 控制, 并进行了应用神经元网络技术进行 U SM 位置控制的研究。1994年, Seiji A oyag i 等人应用相移输入及电压输入与一个模糊控 制器, 实现了 U SM 的快速精密定位控制。 1995年, Kaneko M ako to 等人通过双自由度 的 PWM 控制, 实现了动态控制 U SM 的自 锁 特 性。1995 年, T. Kam ano 等 人 实 现 了 U SM 定位系统的前馈控制。
综合以上各研究小组的工作, 可以了解 到目前U SM 控制技术研究的一些特点及结 果。
对于行波型U SM , 在直接驱动控制系统 中, 控制变量的选择一般选用相位差或者驱 动频率作为控制变量, 在精密快速定位及速 度跟踪控制时, 也常常将二者都选作控制变 量, 通过一定的控制策略进行实际的控制应 用。
增益随时改变, 算法复杂, 在 线进行
模型相近, 参数在线辨识, 随 时调整, 随时补偿速度特性的
偏差 使用基于处理器的两输入单输 出模糊控制器, 控制速度快,
无需电机数学模型
拥有比较良好的线性, 能方便 地在自锁与运动状态间改变
在线学习, 方便地进行变系数 适应, 可实现无静态位置误差
控制 前馈控制器参数自适应算法调 整, 在自适应过程结束后, 使
改变驱动频率
通过调节谐振点附近 响应快, 易于实现
频率控制速度和转矩
低速起动
非线性
改变通 电时间
正反转脉宽 调幅控制
通过调整正反转驱动 时间占空比调速
断续驱动控制 低频断续驱动调速
转矩恒定, 调速范 围宽, 近线性
转矩恒定, 调速范 围宽, 近线性
有调速效率及音频机 械振动
有切换噪声和 机械振动
超声波电动机的速度控制可采用改变电 压、频率、相位差实现; 也可以通过改变通电 时间 (低频调节占空比) 实现调速。超声波电
叙 词 超声波电动机 控制 技术 发展 现状
D EVELO PM ENT AND PRESENT STATUS O F THE
CO NTROL TECHNOLO GY O N UL TRASO N IC M O TO RS
Abstract T he p ap er review ed the developm en t of the con tro l techno logy on u ltrason ic m o to rs.
1980 年, 日本的 T. Sa sh ida 设计制造了 第一台能满足实用要求的 U SM 电机之后, U SM 就倍受科技界和工业界的重视, 掀起 了研究浪潮, 成为当前电气工程领域的一个 研究热点。目前, 日本在U SM 的研究及应用
领域处于世界领先地位。我国于 90 年代初开 始步入U SM 的研究行列, 开展了U SM 的理 论及实验研究与开发, 已取得了可喜的成果。 随着大量的不同的结构的 U SM 的开发和基 础理论研究的深入以及 U SM 的商业化, 目 前在日本 U SM 的研究更多地侧重于 U SM 的控制技术研究和控制装置的开发。
微电机 1998 年 第 31 卷 第 2 期 (总第 101 期)
综 述·REV IEW
超声波电动机控制技术研究的发展及现状Ξ
胡敏强 石 斌 钱俞寿 (东南大学 南京 210096)
摘 要 综述目前超声波电动机控制技术领域的发展状况, 着重介绍超声波电动机控制方法、控
制策略方面的研究现状及发展趋势。
3 U SM 的控制变量[1, 2 ]
由 U SM 定义及其基本工作原理可知, 在 U SM 中存在两个能量转化过程, 一个是 电能通过压电元件的逆压电效应转化为超声 振动机械能的机电耦合过程; 另一个是由振 动的机械能通过摩擦耦合转化为转子的旋转 运动的机械能的运动耦合过程。对于 U SM 的控制, 控制量的选取要考虑到控制量与这 两个能量转化过程有关。即可以通过改变机 电耦合过程及定转子相互作用的运动耦合过 程控制电机的性能指标。在直接驱动的伺服 控制系统中常需要对 U SM 的位置、速度和 力矩进行控制, 这可通过改变定子环的振动 改变定子表面质点的椭圆运动轨迹形状和大 小进行控制 (见表1)。
4 U SM 的控制策略
在讨论 U SM 的控制策略前, 首先必须 指出 U SM 具有很强的非线性。U SM 利用摩 擦驱动, 定转子之间滑动率不能完全确定, 而 且其定子谐振频率又会随温度的变化而变 化, 同时由于压力和摩擦驱动转矩沿定子环 的分布性, U SM 本身具有复杂的非线性。随 着驱动条件的变化 (温度、负载转矩、控制输 入的变化) , U SM 的特性会发生变化。其次, 由于 U SM 的基本结构及工作原理完全不同 于传统的电磁电机, 理论上的动态及静态数 学建模非常困难, 目前还没有基于 U SM 传 递函数的同时表示 U SM 动静态性能的数学 模型, 因而传统的控制策略在 U SM 控制上 遇到了挑战。另外, U SM 显然不能像步进电 机那样可以在开环状态下受脉冲序列所控 制, 而只能采用闭环控制。在对位置、速度、力 矩有要求时则更要求采用闭环控制方式。以 下是进入90年代后日本在 U SM 定位及速度 跟踪控制方面研究的概况。
U SM 伺 服 控 制 系 统 一 般 由 商 业 化 的 U SM 、机械负载、高频 DC- DC 斩波器、两相 高频 (使用串联压电负载谐振参数的) 谐振逆 变器、脉冲编码器、信号处理接口和控制器。 其中由控制器决定对控制变量的控制。而在
如何控制控制变量上, 则根据不同的控制策 略的选择而有所不同。表2为各种控制策略的 一个简单的比较。
U SM 作为一种新型的小电机, 其本身 的技术发展就离不开电子控制和驱动, 以电 机本体很难确定电机的性能、价格和功能。控 制技术的好坏, 关系到能否充分发挥 U SM 卓越性能, 会直接影响 U SM 的应用和推广, 因而开展 U SM 控制方面的研究是非常重要的。
2 U SM 的工作原理及控制机理
Keywords u ltrason ic m o to r, con tro l, techno logy, developm en t, p resen t statu s
1 引 言
超声波电动机 (U ltra son ic M o to r, 简称 U SM ) 是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激 发超声振动, 通过摩擦耦合驱动, 将电能转换 为机械能输出的新型直接驱动电机。U SM 性能卓越, 具有诸如低速大转矩、功率密度 大、无电磁干扰、动态响应快、运行无噪声等 特点。 在非连续运动领域及精密控制领域, U SM 要比普通的电磁电机优越的多。 在工 业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、 办公自动化设备、智能机器人等领域, U SM 有广阔的应用前景。
1986年日本的 T akesh i H a t suzaw a 系统 的研究了环形行波型 U SM 的速度控制特 性, 得到了 U SM 速度与驱动电压、驱动频 率、相位差及正反转切换频率之间的关系。 1990年 Yu jilzuno 等人实现了 U SM 的负载 自适应跟踪控制的两相谐振逆变器, 次年实 现了基于模糊推理的高性能速度 位置控制
通过改变激励 U SM 定子两相电压的幅 值, 调节两相相位差及驱动频率, 可以控制行 波波峰点的速度, 进而达到控制 U SM 电机 运动特性的目的。由于行波型 U SM 是所有
类型中结构最简单、用途最广、商业化最早的 一种, 因而目前的 U SM 控制技术和控制器 的研究多是针对行波型U SM 而言的。
超声波电动机控制技术研究的发展及现状
表2 各种控制策略的比较
控制策略 负载自适应频率
跟踪控制 P I 控制 软件变增益 P I 控制器 自适应控制
双模模糊控制 正反转 PWM 控制 神经元网络控制
前馈控制
控 制 的 特 点
驱动频率始终能够跟随定子谐 振频率的变化转速在恒负载下
能维持一定
增益固定, 控制算法简单, 控 制器调整方便
动机的位置控制可通过位置传感器进行反馈 控制; 转矩大小可由相位差控制实现。电机转 向的改变可通过改变两相供电电源相位实
— 31 —
微电机 1998 年 第 31 卷 第 2 期 (总第 101 期)
现。本文对现有 U SM 的几种控制方法的性 能进行了分析比较, 结果如表1所示。
由表1可见, 变频控制最适合于超声波电 动机的控制, 它一方面可充分利用超声波电 动机的低速大转矩、动态快速响应、无噪声等 优点, 同时能保持较高的工作效率。相位差控 制技术可无切换地实现转向的平滑改变, 通 过控制相位差控制输出轴的角度、转速及力 矩, 有良好的柔顺特性, 适用于需要柔顺驱动 的控制系统。