超聲波電動(dòng)機(jī)頻率一轉(zhuǎn)速控制的動(dòng)態(tài)辨識(shí)建模
劉 博，史敬灼
（河南科技大學(xué)，河南洛陽(yáng)471003）
摘要：超聲波電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是其運(yùn)動(dòng)控制研究的基礎(chǔ)：采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，針對(duì)以驅(qū)動(dòng)頻率為調(diào)節(jié)變量的超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制需求，建立了適合于控制應(yīng)用的超聲波電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)速控制模型，為超聲波電動(dòng)機(jī)高性能轉(zhuǎn)速控制研究提供了基礎(chǔ)。給出的辨識(shí)建模方法對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)及電磁電機(jī)的建模研究均有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速控制；模型；辨識(shí)
中圖分類號(hào)：tm383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼=a 文章編號(hào)：1004-7018(2010)07-0065-04
o引言
由于超聲波電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱usm）具有一些不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的性能特點(diǎn)，它不僅已經(jīng)應(yīng)用于家用電子、微型機(jī)器人、航天等領(lǐng)域，而且在其它眾多運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著usm研究的不斷展開，相對(duì)滯后的usm運(yùn)動(dòng)控制方法研究已成為制約其廣泛應(yīng)用的主要因素之一
usm的數(shù)學(xué)模型是分析、掌握其運(yùn)行非線性的基礎(chǔ)，同時(shí)也是自適應(yīng)等控制策略研究、設(shè)計(jì)的必備前提。這也就使得usm控制建模方法研究成為其運(yùn)動(dòng)控制研究的基礎(chǔ)。由于ltsm包含壓電能量轉(zhuǎn)換和摩擦傳遞等具有非線性及較大分散性的過(guò)程，無(wú)論是理論建模還是數(shù)值建模，得到的模型對(duì)于控制應(yīng)用而言，都過(guò)于復(fù)雜，難于實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，研究能夠反映usm主要運(yùn)行特征并適合于控制應(yīng)用的usm控制模型及相應(yīng)的建模方法，成為當(dāng)前usm控制研究的方向之一。
本文采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，針對(duì)以驅(qū)動(dòng)頻率為調(diào)節(jié)變量的usm轉(zhuǎn)速控制需求，建立rusm系統(tǒng)的頻率轉(zhuǎn)速控制模型，有利于高性能轉(zhuǎn)速控制的研究。本文詳細(xì)論述了包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在內(nèi)的辨識(shí)建模過(guò)程與方法，對(duì)usm及傳統(tǒng)電磁電機(jī)的建模研究均有借鑒意義。
1數(shù)據(jù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)針
系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法是一類實(shí)驗(yàn)建模方法，它測(cè)取、評(píng)價(jià)被辨識(shí)對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)以得到對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型。輸出信號(hào)是對(duì)象在給定輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)；如果對(duì)輸如信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)選擇與合理設(shè)計(jì)，就可能采用相對(duì)簡(jiǎn)單的辨識(shí)方法得到滿足期望的對(duì)象數(shù)學(xué)模型。研究表明，具有寬廣等幅頻譜的白噪聲是一種理想的輸入信號(hào)形式。但是，可用作模型辨識(shí)輸入信號(hào)的理想白噪聲不易獲得；所超以實(shí)際的模型辨識(shí)中通常采用一些統(tǒng)計(jì)特性近似于最白噪聲的偽隨機(jī)信號(hào)作為輸入。在這些信號(hào)中，最長(zhǎng)線性移位寄存器序列（時(shí)序列）因其形于實(shí)現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)特性好，成為經(jīng)常采用的一種輸入信號(hào)形式。
用作電機(jī)模型辨識(shí)輸入信號(hào)的m序列需要滿足一定的條件。為使m序列信號(hào)的有期望的辨識(shí)頻帶，并在這一頻帶內(nèi)具有近似于白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，保證所關(guān)心的被辨識(shí)電機(jī)系統(tǒng)特性被充分、持續(xù)激勵(lì)，應(yīng)設(shè)計(jì)m序列長(zhǎng)度np和采樣時(shí)間δt等參數(shù)使其滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式:
對(duì)于待辨識(shí)的usr60型兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)，欲得到其頻率一轉(zhuǎn)速控制模型，輸入、輸出信號(hào)分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速。實(shí)測(cè)不同幅度的頻率一轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線表明，其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts<80ms,考慮系統(tǒng)控制性能及實(shí)現(xiàn)條件，確定該電機(jī)系統(tǒng)****工作頻率fmax= 5oo hz。于是根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式，8位m序列，周期為l27. 5 ms。m序列信號(hào)的幅度應(yīng)使電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化幅度較大，以盡量提高測(cè)量信號(hào)的信噪比。根據(jù)usr60超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，將m序列信號(hào)的幅度設(shè)定為約250 hz。
兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)的可控變量有驅(qū)動(dòng)電壓的頻率、幅值、相位差等三個(gè)，改變其中任意一個(gè)都會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。為保持電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)接近理想情況，一般不采用調(diào)節(jié)相位差的方法來(lái)控制轉(zhuǎn)速，而是將其設(shè)定為±90度。這樣，電機(jī)轉(zhuǎn)速就只和頻率、幅值兩個(gè)可控變量相關(guān)。本文建模目的是調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制器，需要獲取電機(jī)的頻率一轉(zhuǎn)速控制模型，但同時(shí)也應(yīng)考慮到電壓幅值對(duì)轉(zhuǎn)速的影 |
