行波超声波电机相移PWM驱动与控制研究

论文摘要

超声波电机是一种新型的运动控制执行单元。由于其特殊的结构特点和运行机理,使得它具有一些不同于传统电磁电机的显著优点。这些特点使其在非连续和精密运动控制领域有着广阔的应用前景,因而超声波电机运动控制技术的研究倍受关注。但是,超声波电机具有很强的时变非线性,为使其性能得到充分发挥,必需为之设计专门的驱动控制电路和有针对性的控制策略。本文首先对超声波电机驱动电路非线性进行了详细的分析研究,指出了其中存在的控制非线性现象及其缘由,为高性能驱动装置的合理设计及控制非线性的改善提供依据。基于上述电路非线性分析,设计了H桥相移PWM驱动电路以减弱电路导致的控制非线性。设计了一种基于CPLD的相移H桥PWM控制信号发生器,设计了基于CPLD的SPI通信以实现DSP与PWM信号发生器之间的控制信息传输,不仅实现了超声波电机对驱动控制信号的特别要求,而且为控制算法的设计提供了完全的控制自由度。在这一数字化驱动控制硬件平台基础上,本文研究了超声波电机的转速闭环控制。研究了电机两相驱动电压幅值的闭环控制,实现了两相电压幅值一致并可控,提高了电机运行稳定性。采用神经网络控制器解决了超声波电机高速起动困难问题,随后设计并实现了超声波电机的转速多变量复合控制策略,采用频率、电压幅值两个可控变量进行转速的协调控制。实验表明,所设计驱动控制装置有较高的控制精度和稳定性,所设计控制策略简单有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波电机国内外发展现状
• 1.3 超声波电机驱动控制技术的发展
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 论文的内容安排
• 第2章 行波超声波电机驱动电路非线性研究
• 2.1 引言
• 2.2 驱动超声波电机推挽式变换器工作过程分析
• 2.2.1 感性负载时的工作过程
• 2.2.2 容性负载时的工作过程
• 2.2.3 推挽式变换器工作过程分析与讨论
• 2.3 超声波电机串联电感匹配电路研究
• 2.3.1 超声波电机的匹配电路
• 2.3.2 超声波电机匹配电路的实验研究
• 2.3.3 实验结果的讨论与分析
• 2.3.4 串联匹配电路设计原则
• 2.4 小结
• 第3章 行波超声波电机 H 桥相移 PWM 控制
• 3.1 引言
• 3.2 H 桥相移PWM 控制
• 3.2.1 H 桥相移PWM 控制方法
• 3.2.2 相移PWM 信号发生器的工作原理
• 3.2.3 基于CPLD 的相移PWM 控制信号发生器
• 3.3 H 桥控制电路设计与实现
• 3.3.1 DSP 与CPLD 的同步串行通信
• 3.3.2 DSP 对PWM 信号发生器的控制
• 3.4 H 桥相移PWM 电路与推挽式电路对比分析
• 3.5 小结
• 第4章 行波超声波电机电压幅值闭环控制
• 4.1 引言
• 4.2 电压幅值闭环控制设计与实现
• 4.3 实现结果与分析
• 4.4 小结
• 第5章 行波超声波电机转速闭环控制
• 5.1 引言
• 5.2 基于神经网络的行波超声波电机起动控制
• 5.2.1 超声波电机高转速起动实验分析
• 5.2.2 基于前向神经网络的起动控制
• 5.3 超声波电机转速闭环控制
• 5.3.1 以频率为控制变量的转速闭环控制
• 5.3.2 频率与电压幅值双变量复合速度控制
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 行波超声波电机位置控制
• 5.6 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果