压电超声电机的控制技术

1.压电超声电机伺服控制系统

压电超声电机伺服控制系统通常由控制器、驱动放大电路、超声电机、负载、编码器等组成。编码器反映超声电机的位置和速度信息，控制器根据编码器传递的信息，经过控制运算、控制驱动放大电路的两相输出电压UA、UB的幅值、频率和相位，实现电机速度或位置的伺服控制。

控制器是压电超声电机伺服控制系统的指挥中心，借鉴传统电磁电机控制器并结合压电超声电机的特点进行选取，主要有以下类别。

（1）以单片机作为控制器。以单片机作为压电超声电机控制器成本低，可以实现较复杂的控制算法。

（2）以通用计算机作为控制器。利用通用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精确度、复杂的控制算法。

（3）以DSP作为控制器。采用哈佛结构、独立的总线来访问程序和数据存储空间，配合片内硬件乘法器、指令的流水线操作和优化的指令集，不仅能满足复杂算法的要求，而且系统简单、实时性强。另外，基于现代EDA（electronic design automation，电子设计自动化）技术，结合控制策略，将驱动电路等外围电路集成到压电超声电机控制器，利用FPGA和CPLD等可编程逻辑器件，使用专用的系统开发软件编程实现控制算法，然后将这些算法下载到相应的逻辑器件，开发体积小的压电超声电机专用控制器，以硬件的方式实现电机伺服控制。

（4）以专用控制芯片作为控制器。目前市面上还未见报道，但已有学者在这方面做了一些尝试。

2.压电超声电机控制变量与控制策略

压电超声电机的控制变量有：电机两相输入电压幅值、频率、相位差。这三种控制变量中，保持其中两个变量不变，按照一定的方法和规律调节第三个变量，均可实现调速，但调试特性曲线各有特点。其中，调整电压幅值的调速方法因调速范围较小、低速时转矩小，一般不能作为单一的控制变量实现压电超声电机的调速。常用的控制策略方法有如下几种。

1）PID控制

PID控制作为一种简单而实用的控制方法，已有学者将其用于压电超声电机伺服控制。采用固定增益PID控制策略对压电超声电机速度控制进行研究，通过改变压电超声电机输入电压的频率，实现了压电超声电机速度控制。实验结果表明，电机在运行时间不长（温度上升不大）或负载转矩恒定时，速度控制精确度较高；但是当电机的温度或负载变化时，电机的速度控制效果明显变差。也就是说，对压电超声电机这种时变、强非线性系统，单纯采用PID控制，控制效果不佳。(www.xing528.com)

2）现代控制策略

现代控制策略主要有自适应控制、鲁棒控制、滑模控制。

与PID控制相比，自适应控制因能够在线识别控制对象的参数，故其对压电超声电机这种时变系统的控制效果要比PID的控制效果好。但是在压电超声电机开始启动时，系统参数还没有辨识完，或者是给定的目标位置有很大的变化的时候，自适应控制的控制效果不佳。

将自适应控制与其他控制方法相结合，可以解决自适应控制的不足。例如，采用变结构的自校正控制方法，同时控制输入电压频率和相位差，取得了较高的定位精确度，甚至在参数识别没有完成的情况下，也具有很好的控制性能。

采用滑模控制策略，同时控制电机输入电压的相位差和频率，实现电机快速准确的定位控制，解决了当参数辨识没有完成时，采用自适应控制可能会出现电机启动失败或者较大超调的问题。但传统的滑模控制有一个突出的缺点，即滑模控制存在抖振，抖振问题成为滑模控制广泛应用的主要阻碍。

3）智能控制策略

将PID和模糊控制方法相结合，用模糊控制算法来补偿负载变化引起的死区宽度的变化，通过改变压电超声电机两相输入电压的相位差，实现了压电超声电机的精确定位控制。这种复合控制方法与单一的PID控制相比，控制效果好，动态特性好，可靠性高。但单纯的模糊控制精度较低，且需要较多的控制规则，需要大量的电机运行经验。

单纯的神经网络控制不能够补偿死区效应，且学习速度较慢。有学者将神经网络与小波技术相结合，利用可变在线学习速率的小波神经网络控制方法实现了压电超声电机的精确控制，克服了单纯采用神经网络学习速度较慢的缺陷。因此，一般将小波技术、神经网络、自适应控制、滑模控制等多种控制策略或技术相结合，采取智能复合控制方法来实现压电超声电机高精确度控制。

为了改善压电超声电机的性能，电机伺服控制应由单一控制变量向电压幅值、相位、频率多个控制变量相结合转变。控制目标应从单一的速度或位置控制，转变为在保证速度或位置控制精确度的前提条件下，尽量提高电机能量转换效率和延长电机寿命等，实现多变量、多目标控制。