基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的行波超聲波電動機起動控制
張慧敏，王海彥，史敬灼
(河南科技大學(xué)，河南洛陽471003)
摘要：由于行波超聲波電動機特殊的運行機理和結(jié)構(gòu)特點，使其難以高轉(zhuǎn)速直接起動。針對該問題，設(shè)計了參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速控制器，以實現(xiàn)超聲波電動機的高轉(zhuǎn)速起動控制。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制器參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速給定值的起動要求，充分發(fā)揮電機能力。實驗表明，電動機起動快速準(zhǔn)確，控制算法有效、可靠。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機；起動；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)
中圖分類號：TM1383 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004一7018(2010)04—0042—03
O引 言
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對行波超聲波電動機的轉(zhuǎn)速控制也提出了越來越高的性能要求[1]。兩相行波超聲波電動機的轉(zhuǎn)速控制可以通過調(diào)節(jié)電機驅(qū)動電壓的頻率、幅值和(或)相位差來實現(xiàn)[2]。由于電機內(nèi)部壓電陶瓷材料的非線性及定轉(zhuǎn)子接觸表面的力學(xué)特性，使得行波超聲波電動機難以高轉(zhuǎn)速直接起動[1-2]。
以常用的調(diào)頻調(diào)速為例，通常需要控制電機低速直接起動，然后調(diào)節(jié)頻率，使轉(zhuǎn)速緩慢升高至給定值。這類似于同步電動機牽人同步的過程，但超聲波電動機轉(zhuǎn)速與其驅(qū)動電壓頻率之間的關(guān)系存在較為嚴(yán)重的非線性，不同于同步電動機轉(zhuǎn)速與頻率之間的簡單比例關(guān)系[3]，且頻率與電壓幅值等可控變量之間存在耦合關(guān)系，從而使得這一高轉(zhuǎn)速起動過程不易實現(xiàn)迅速、準(zhǔn)確的目標(biāo)。
本文設(shè)計了參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器．以實現(xiàn)兩相行波超聲波電動機的高轉(zhuǎn)速起動控制.實驗結(jié)果表明，控制效果良好。
1超聲波電動機高轉(zhuǎn)速起動實驗分析
本文實驗用電機為shinsei usR60型兩相行波超聲波電動機，起動閉環(huán)控制采用調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓頻率的實現(xiàn)方式。用于進行高轉(zhuǎn)速起動實驗的控制裝置[4]。結(jié)構(gòu)如圖l所示，控制功能由DsP編程實現(xiàn)。圖中，旋轉(zhuǎn)編碼器E與電機同軸剛性連接，用于給出轉(zhuǎn)速反饋信號。兩相驅(qū)動電壓閉環(huán)控制在保證兩相電壓幅值一致的同時，控制電壓幅值為給定值，從而消除了開環(huán)狀態(tài)下電壓幅值隨頻率調(diào)節(jié)而變化的現(xiàn)象，解除了頻率調(diào)節(jié)與電壓幅值之間的控制量耦合關(guān)系，改善了通過調(diào)頻進行轉(zhuǎn)速控制的性能。
當(dāng)電機轉(zhuǎn)速給定值較高時，起動控制過程為：轉(zhuǎn)速控制器在控制起始時刻設(shè)置輸出控制量(頻率值)為初始值f0，該頻率值對應(yīng)于電機能夠直接起動的較低轉(zhuǎn)速值。電機在頻率為f0的驅(qū)動電壓作用下，由零速逐步起動，轉(zhuǎn)速PI控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差調(diào)節(jié)頻率值，使轉(zhuǎn)速逐漸升高，趨于給定值。
實驗表明，電機上電施加驅(qū)動電壓后并不立即開始旋轉(zhuǎn)，而是經(jīng)過一段延時后才開始轉(zhuǎn)動。圖2為實測的電機起動過程端電壓及孤極反饋電壓幅值波形。上電后，電機端電壓幅值有個動態(tài)上升過程，這一電壓變化過程主要源于電機定子壓電材料在電壓激勵下的特性動態(tài)變化，也與驅(qū)動電路變壓器、匹配電感的能量存儲過程有關(guān)。隨著電壓幅值增大，表征電機定子行波振幅的孤極反饋電壓幅值逐漸增大。由于預(yù)緊力使電機定轉(zhuǎn)子接觸表面存在較大的靜摩擦力，定子行波振幅增大到某一閾值之后，電機才會開始旋轉(zhuǎn)。圖2中圖。的t0時刻，電機開始旋轉(zhuǎn)。考慮轉(zhuǎn)速控制器的控制過程，若上電后轉(zhuǎn)速控制器立即開始產(chǎn)生控制作用，則在t0時刻之前，由于轉(zhuǎn)速為零，控制器將達(dá)到積分飽和狀態(tài)，輸出頻率給定值遠(yuǎn)離能夠使電機起動的初始值五，導(dǎo)致電機無法起動。所以將轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計為上電后輸出頻率給定值f0并維持不變，等待旋轉(zhuǎn)編碼器第一個反饋脈沖(上升或是下降沿)到來，即電機開始旋轉(zhuǎn)后，控制器開始產(chǎn)生控制作用，按照PI控制規(guī)律調(diào)節(jié)頻率。
起動過程中，轉(zhuǎn)速的控制是通過調(diào)節(jié)頻率實現(xiàn)的。顯然，在升速過程中頻率調(diào)節(jié)的變化率越大，起動過程所需時間越短。實驗中，采用固定Pl控制器中的比例系數(shù)Kp、調(diào)節(jié)積分系數(shù)KL的方法來改變頻率調(diào)節(jié)的變化率。實驗表明，相同轉(zhuǎn)速給定值情況下，增大KI，電機起動過程加快；但是若K1過大，使頻率變化過快，將導(dǎo)致電機停轉(zhuǎn)，不能起動。對于不同轉(zhuǎn)速給定值，尋找能夠使電機最快平穩(wěn)起動的K1值，實驗結(jié)果如圖3中數(shù)據(jù)點(小方塊)所示。數(shù)據(jù)表明，隨著轉(zhuǎn)速給定值增大，合適的 K1值逐漸減小，且K1值與轉(zhuǎn)速給定值之間呈非線性對應(yīng)關(guān)系。
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