超声波电机的精密控制技术

摘要:通过超声波电机控制策略的分析,选择神经网络与传统控制相结合,构造可实现μm级微量进给的控制算法,并以DSP为核心组成相应的主从式控制系统。经电机起动、关断特性的充分实验研究,可使设备具有准确步进定位的功能。为开发精密微量进给机构提供有力的技术支持。

关键词:超声波电机;精密定位;DSP控制器;步进控制

目前,超声波电机被广泛用于航空航天、微型机械伺服控制与精密定位等领域,如日本ALPS电气公司生产的XY定位仪、英国Cranfield公司制造的大型精密机床及日本TDK推出的GMR硬盘磁头,多数要求定位控制精度达到μm级。由于超声波电机靠定转子间的摩擦传动,滑动率受复杂因素影响难以确定;且运行效率一般仅有10%～40%,摩擦损耗的能量会导致电机温升,引起谐振频率漂移与负载特性的改变;所以精确控制成为亟待解决的难题。

一般精密定位选择步进电机,因无需位置检测反馈环节,属简单开环控制系统;但必须附加传送胶带、导轮导轨以及运动变换机构,所以整体结构较大,影响定位精度的提高。而超声波电机是通过激发定子表面质点作椭圆振动,借助摩擦力驱动转子产生运动。由于薄片压电陶瓷取代了复杂、笨重的磁芯,具有微型化结构、反应灵敏的特点。若能实现精确的微量步进,必然会拓宽它在精密设备中的应用,充分发挥其低速大转矩的特征。所以单步控制是超声波电机必须研究的另一项技术。

1超声波电机的微量控制技术

1.1控制策略的选择
控制超声波电机可通过输入电压调幅、驱动变频、调节相位差或正反脉宽调幅。最多使用的是变频调速,因电机工作于谐振区,具有快速响应的特点,但可控频带较窄,压电陶瓷的能量损耗大。经实验对比相位差、频率和脉宽调幅控制,抗噪声干扰能力最强的是脉宽调幅控制,可提高电机工作的稳定、可靠性,已被广泛工业应用。目前发展的趋势为通过多控制方式组合,弥补单一方式的欠缺。如以DSP为中心,构建频率、相位、占空比均可调的超声波电机控制系统。

超声波电机的主要控制策略有:PI控制、自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法以及组合控制。工程实践表明:单一控制模式很难实现超声波电机的快速、准确、稳定控制,多控制策略的组合是今后发展的必然趋势。研究工作也经历了早期的PI控制策略,由于定转子间的摩擦系数变化快,导致定位发生波动使控制性能变差,其定位精度仅有7μm;随着模糊控制技术的引入,基于大量运行经验,无需精确数学模型就能实现快速定位,控制精度可达1.9μm;若用预测器构造自适应闭环伺服控制,因能在线辨识控制参数,动态补偿速度特性偏差,可将定位精度提高至0.3μm;近期常在变参数和强干扰的环境下应用神经网络,通过在线学习实现无误差静态控制,其定位精度仍达1μm,表现出良好鲁棒性;专家们还对自调整PI、模糊自适应甚至小波神经网络控制进行了研究,由于超声波电机缺乏精确的数学模型,且速度随驱动变化呈非线性特征,经对比分析以智能型模糊神经网络组合的控制精度最高。

1.2控制器的设计应用
除优良的控制策略,还必须选择合适的控制器;其性能由核心处理器决定,一般分为MCU单片机和DSP数字信号处理芯片两类。传统的超声波电机控制器常采用一片或多片MCU作核心处理器,由于其运算速度有限、外围电路复杂,仅适于处理简单、响应速度缓慢的场合。随着DSP技术的发展和运算能力的持续提高,若以运算密集的模糊逻辑与神经网络进行控制,且满足高实时性要求,则DSP是合理的选择。众厂家均开发专用DSP电机控制器,典型产品有:TI公司的TMS320系列和AD公司的ADMC3xx。无须外接分频、移相元件,就能构造功能强大的控制单元。当难以为特殊的超声波电机选择合适的控制芯片时,可使用现场可编程门阵列FPGA。由于允许多次编程,且集成度高达数十万等效门,便于实现极为复杂的逻辑处理。目前,基于FPGA的超声波电机伺服驱动系统,其行波旋转定位精度可达到0.025°。

以精密机床的径向、轴向进给控制为例,可选专用DSP控制芯片TMS320F240组成直线超声波电机控制系统,核心如框图1所示。采取工控机与DSP控制器的双层主从控制结构,DSP通过SCI串口与PC机的RS232相接,由推挽式功放输出双相激励电压驱动直线超声波电机;光栅尺也输出双路相位差为90°的正交信号,经边沿检测进行四倍频,以反馈电机速度。由于运算能力强大的DSP可实现复杂的控制算法;如图2所示,在WINDOWS环境下,工控机能经CAN总线实时控制多个DSP,实现机床的双向精密进给。


2超声波电机的单步控制技术

2.1步进特性分析
一般连续工作的超声波电机,可通过各类控制算法调节其速度变化,但必须用位置传感器,经检测反馈环节进行闭环定位控制,增大了系统结构的复杂性。为在开环状态下,获得精确的步进特性,须认真研究超声波电机的单步定位控制。

给超声波电机一次输入N个波,使其发生X位移。若分n次行走X位移,设中间停顿Δt时间,在理想的线性状态下,每次应输入N/n个波。为验证理论分析的正确性,使用高精度的GBJ280型光电轴角编码器进行位置检测。经实验发现超声波电机并非理想线性,具体关系如表1所示。

表1行走次数与单次、总计输入波数的关系

以分2次完成X位移为例,每次仅有(N-m)/2+m个波对电机转动作贡献,额外需多付出2m个波。即每增加一次停顿,须多输入m个波,否则行走的位移将减少。显然超声波电机的最小驱动波数为1+m。造成存在波数m的原因是:由于超声波电机在无驱动输入时,靠压紧机构产生的摩擦力定位;定子仅在输入m个波后,才能激励高频振动并产生位移。

图3超声波电机的起动和关断特性曲线

图3为超声波电机的起动关断特征曲线。起动时在0～t₀区存在一个很小的死区,需要m个波使转子从静止到运动,并开始产生位移。电机在t₀～t₁区进行加速,角速度逐渐由0增至ω₁,并转过角度θ₀;若持续激励,最终将以稳定的角速度ωm连续运转。如在t1处停止输入激励波,则电机角速度将从ω1降至0,并转过角度θ₁。通常规定Δt=t₂-t₀时间段内,电机转过的角度θ_B=θ₀+θ₁为步距角。由于θB内需要输入N_B=Δ_t/f个激励波,考虑死区波数m,则电机单步所需波数为N`_B=Δ_t/f+m。

当驱动电源频率f稳定时,死区波数m和步距角θ_B恒定;一般单步运行模式取较小的θ_B,能有效避免因Δt过大所造成的关断特征非线性化。必须注意:超声波电机的每个单步所需波数大于1,且必须考虑死区波数m。如图4所示,只要选择足够小的θB和Δt,就能以理想方式步进运行。

图4步进状态下超声波电机的动态曲线

2.2死区波数m测定
选择日本Panasonic公司的USM-80D型超声波电机,特征参数如表2所示(部分由实验测得)。在电机轴端安装高精度GBJ280型光电轴角编码器,它的单脉冲角度分辨率为0.5。


测定系统原理如图5所示。DSP控制器生成单步驱动波数,而单片机则负责监测并采集超声波电机的谐振频率、电机转速和角位移数据,具体测量由光电编码器实施。

变化单步波数NB反复测试其运行步距角,实验表明:在工作性能及运行负载稳定的状态下,超声波电机具有均匀、稳定、可重复的运行步距角。忽略死区波数m,如图6所示,可对比理论计算与实验步距角。经测试数据线性回归分析,当NB∈[2,140]时,相关系数R≈0.997即理论与实验吻合一致,且误差随单步波数减少而降低。

3结束语

超声波电机经起动和关断特性实验分析,证实其完全可以在工程应用中实施步进定位,以开环方式进行设备驱动,省略所必需的位置、速度检测反馈。若基于DSP构造电机驱动器,选神经网络为控制策略,就能实现μm级微量进给。融合两项技术,会使精密设备的微量步进控制得以实现。