基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统及方法技术方案

基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统及方法，属于两相超声电机驱动控制领域。解决了现有对超声电机的调幅调速驱动方法中，电机的输入幅值相同，单独调节幅值时，存在调速死区大、调速比小及滞环大的问题。它包括转速指令生成模块、非恒等幅值电压生成模块、匹配电路和转速测量模块；非恒等幅值电压生成模块，用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机的两相输入电压UA及UB，UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，且UA及UB的脉宽线性相关，当αA≤π时，αA+αB＝π；当αA>π时，αA-αB＝π；两相输入电压UA及UB的相位差恒定为π/2。用于对电机转速进行控制。

【技术实现步骤摘要】
基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统及方法
本专利技术属于两相超声电机驱动控制领域。
技术介绍
作为一种典型的压电致动器，超声电机可利用定子中压电材料的压电效应，将所输入的电能转化为定子振动形式的机械能，再依靠外部预紧力的作用，将振动形式的机械能最终转化为转子转动形式的机械能，进而实现输出转速的目的。为了使超声电机可以对负载输出机械能，需要对超声电机施加具有正交相位的交变电压。因此，从上述电机运动机理可知，调节所施加的交变电压的频率或幅值即可实现对电机转速进行控制的目的。然而，应用现有超声电机驱动方法对电机转速进行控制时，具有如下问题：(1)为了降低由于电机温升而对电机特性产生的不利影响，输入电压的频率常作为跟踪电机工作点的控制量，即所谓的频率跟踪控制方法，具体是指，以反映电机工作状态的物理量(如输入电流与电压间相位差、转速等)作为反馈量，通过调节输入电压的频率，使得反馈量与预设的指令值保持相等，进而即可最终实现保持电机稳定工作于某一工作状态的目的。因此，在应用了频率跟踪控制方法的系统中，无法再使用频率对电机转速进行控制；(2)在调节幅值时，为了实现效率的最大化，需保持两相输入电压的幅值始终相同，与此同时，由于压电陶瓷特性及摩擦产生机理的共同影响，单独调节幅值时，超声电机将具有较大的调速死区，即无法获得较低转速，导致超声电机的调速范围极为有限，此外，还存在较大的调速滞环特性，即升压调速特性与降压调速特性相差较大。综上，这一调速方法制约着超声电机系统在工业领域中的应用。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有对超声电机的调幅调速驱动方法中，电机的输入幅值相同，单独调节幅值时，存在调速死区大、调速比小及滞环大的问题，本专利技术提供了一种基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统及方法。基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统，它包括转速指令生成模块、非恒等幅值电压生成模块、匹配电路和转速测量模块；转速指令生成模块，用于生成转速指令值；转速测量模块，用于对超声电机的转速进行测量，获得转速测量值；非恒等幅值电压生成模块，用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机的两相输入电压UA及UB；所述的两相输入电压UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，且两相输入电压UA及UB的脉宽线性相关，当αA≤π时，αA+αB＝π；当αA>π时，αA-αB＝π；两相输入电压UA及UB的相位差恒定为π/2，所述的超声电机的两相输入电压UA及UB中的基波成分的幅值均由母线电压UCC和脉宽αA决定，其中，电压UA中的基波成分的幅值电压UB中基波成分的幅值其中，UA和UB均为交变电压，αA表示交变电压UA的脉宽，αB表示交变电压UB的脉宽,n表示谐波阶次，且阶次为奇数，t为时间变量，T为信号周期；匹配电路，用于对接收的两相输入电压UA及UB进行滤波、放大，最终实现输出加载至超声电机的两相电压信号近似为标准正弦信号；所述的超声电机为两相超声电机；所述的非恒等幅值电压生成模块采用具有功率放大功能的电路/集成芯片实现。基于输入电压非恒等幅值的转速控制方法，该方法包括如下步骤：用于生成转速指令值的步骤；用于对超声电机的转速进行测量，获得转速测量值的步骤；用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机的两相输入电压UA及UB的步骤；所述的两相输入电压UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，且两相输入电压UA及UB的脉宽线性相关，当αA≤π时，αA+αB＝π；当αA>π时，αA-αB＝π；两相输入电压UA及UB的相位差恒定为π/2，所述的超声电机的两相输入电压UA及UB中的基波成分的幅值均由母线电压UCC和脉宽αA决定，其中，电压UA中的基波成分的幅值电压UB中基波成分的幅值其中，UA和UB均为交变电压，αA表示交变电压UA的脉宽，αB表示交变电压UB的脉宽,n表示谐波阶次，且阶次为奇数，t为时间变量，T为信号周期；用于对接收的两相输入电压UA及UB进行滤波、放大，最终实现输出加载至超声电机的两相电压信号近似为标准正弦信号的步骤。所述的用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机的两相输入电压UA及UB的步骤，采用具有功率放大功能的电路/集成芯片实现。原理分析：考虑向电机施加如下具有两相非恒等幅值的电压信号，其中，UA和UB均为交变电压，αA表示交变电压UA的脉宽，αB表示交变电压UB的脉宽,n为奇数，t为时间变量，T为信号周期，UCC为母线电压。之所以称满足上述表达式的两相电压具有非恒等的幅值，因为如下两方面原因：对于给定的电机，由于其材料、结构参数已经确定，两相电压中各次谐波的幅值均由UCC及αA共同决定，其中，第n次谐波的幅值可表示为与另一方面，αA作为电机转速的控制变量，其大小并不固定，当且仅当或时，两相电压幅值才相等，即为
技术介绍
中所述的现有的调幅调速方案。随后，由于匹配电路的存在，加之电机电气特性所呈现出的容性负载的特性，公式一及公式二所示的两相输入电压中的高次谐波成分将被滤除，因而，起主要驱动作用的即为如下的基波成分，因此，定子表面某点处第一相及第二相驻波可表示为，其中，当应用本专利技术所提供的非恒等幅值驱动方案时，第一相及第二相驻波幅值分别为式中，W0由两相驱动电压幅值决定，W0表示振动幅值最大值，WA表示定子表面某点处第一相驻波，WB表示定子表面某点处第二相驻波，WA0表示第一相驻波幅值，WB0表示第二相驻波幅值。进一步地，根据波的叠加原理，定子表面所形成的行波可表述为如下形式，其中，m为波节数，θ为位置自由变量。当或时，定子表面将形成理想的行波，并且定子表面振动的幅值最大，通过合理地设置母线电压UCC，即可有效地驱动转子转动，进一步地输出转速，此时，即为现有的调幅调速驱动方案，由此可知，可认为本专利技术所提供的非恒等幅值驱动方法是现有调幅调速驱动方案的拓展。当且时，电机定子表面中存在起驱动作用的行波的同时，还存在部分不起驱动作用的驻波成分，当αA越靠近0、π及2π时，驻波成分越大，此时所产生的驻波成分虽然不起驱动作用，但可保证电机不会因定转子间隙过小而产生较大的阻碍力矩，进而改善定转子间的摩擦特性，因而理论上可降低电机调速死区，提高电机调速比。进一步地，由超声电机驱动力矩产生机理可知，当母线电压UCC固定时，仅调节超声电机第一相输入电压uA所对应的脉宽αA即可实现对超声电机转速控制的目的。此外，由于第一相输入电压uA所对应的脉宽αA与输入信号的频率相互独立，因而，保证了与频率跟踪控制方法较好的兼容性，为进一步提高超声电机性能提供了驱动方案基础。本专利技术首先生成两相输入电压UA及UB，两相输入电压UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，两相输入电压UA及UB的相位差恒定为并对生成的非恒等的交变电压进行处理后加载至超声电机，从而控制超声电机的输出转速，通过转速测量模块实时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统，其特征在于，它包括转速指令生成模块(201)、非恒等幅值电压生成模块(202)、匹配电路(203)和转速测量模块(205)；转速指令生成模块(201)，用于生成转速指令值；转速测量模块(205)，用于对超声电机(204)的转速进行测量，获得转速测量值；非恒等幅值电压生成模块(202)，用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机(204)的两相输入电压UA及UB；所述的两相输入电压UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，且两相输入电压UA及UB的脉宽线性相关，当αA≤π时，αA+αB＝π；当αA>π时，αA‑αB＝π；两相输入电压UA及UB的相位差恒定为π/2，所述的超声电机(204)的两相输入电压UA及UB中的基波成分的幅值均由母线电压UCC和脉宽αA决定，其中，(公式一)，(公式二)，电压UA中的基波成分的幅值电压UB中基波成分的幅值其中，UA和UB均为交变电压，αA表示交变电压UA的脉宽，αB表示交变电压UB的脉宽,n表示谐波阶次，且阶次为奇数，t为时间变量，T为信号周期；匹配电路(203)，用于对接收的两相输入电压UA及UB进行滤波、放大，最终实现输出加载至超声电机(204)的两相电压信号近似为标准正弦信号。...

【技术特征摘要】
1.基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统，其特征在于，它包括转速指令生成模块(201)、非恒等幅值电压生成模块(202)、匹配电路(203)和转速测量模块(205)；转速指令生成模块(201)，用于生成转速指令值；转速测量模块(205)，用于对超声电机(204)的转速进行测量，获得转速测量值；非恒等幅值电压生成模块(202)，用于接收转速指令值和转速测量值，并将转速指令值作为被减数与转速测量值作差，根据满足电机转速的控制需求，获得进行转速控制时所需的控制变量，该控制变量经过功率放大，最终获得超声电机(204)的两相输入电压UA及UB；所述的两相输入电压UA及UB为脉宽非恒等的交变电压，且两相输入电压UA及UB的脉宽线性相关，当αA≤π时，αA+αB＝π；当αA>π时，αA-αB＝π；两相输入电压UA及UB的相位差恒定为π/2，所述的超声电机(204)的两相输入电压UA及UB中的基波成分的幅值均由母线电压UCC和脉宽αA决定，其中，电压UA中的基波成分的幅值电压UB中基波成分的幅值其中，UA和UB均为交变电压，αA表示交变电压UA的脉宽，αB表示交变电压UB的脉宽,n表示谐波阶次，且阶次为奇数，t为时间变量，T为信号周期；匹配电路(203)，用于对接收的两相输入电压UA及UB进行滤波、放大，最终实现输出加载至超声电机(204)的两相电压信号近似为标准正弦信号。2.根据权利要求1所述的基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统，其特征在于，所述的超声电机(204)为两相超声电机。3.根据权利要求1所述的基于输入电压非恒等幅值的转速控制系统，其特征在于，所述的非恒等幅值电压生成模块(202)采用具有功率放大功能的电路/集成芯片实现。4.基...

【专利技术属性】
技术研发人员：史维佳，赵辉，马杰，姚郁，刘晓坤，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23