[发明专利]一种超声波电机转速线性化的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种超声波电机转速线性化的控制方法，以解决超声波电机转速控制中出现的非线性问题。

背景技术

目前的微小型多自由度平台或转台逐步向轻量化、小型化发展，超声波电机是一种理想的高力矩密度轴端驱动元件。上述应用场合大多需要超声波电机的低速平稳运行，且转速变化平缓。

超声波电机是一种利用压电元件的逆压电效应激发超声振动，通过定子和转子间的摩擦驱动，实现将电能转化为机械能输出的新型直接驱动电机。其中环形行波型超声波电机应用最为广泛。超声波电机区别于传统的电磁电机，其控制系统通常采用调频控制，通过调节激振频率，可以控制定子的共振状态，进而调节超声波电机的转速。

然而，超声波电机的转速与频率的关系呈现明显的非线性，尤其在低转速下，非线性表现突出。以往的控制方法都是利用分段线性化，在小值范围内，将曲线作近似线性化处理。这种方法仅为近似线性、控制精度不高、控制程序繁琐，很难实现超声波电机的低速平稳变化。超声波电机的转速控制特性不理想，在很大程度上阻碍了其应用的进程。

发明内容

本发明解决的技术问题为：提供一种超声波电机转速线性化的控制方法，解决超声波电机转速控制中的非线性问题，实现线性化地控制超声波电机，减小控制器硬件的体积，降低复杂度，且为超声电机驱动信号的生成提供易于实现的纯数字算法。

本发明的技术方案为：一种超声波电机转速线性化的控制方法，包括：步骤S1，在超声波电机控制系统初始化阶段，对所述超声波电机通入线性变化的频率激励，测试所述超声波电机系统的转速-频率曲线；步骤S2，拟合转速n--频率f曲线；步骤S3，以n为线性，获取(n,f)点对；步骤S4，生成控制量n与频率f的对应映射表格，供控制指令查询；步骤S6，查对应映射表格获得转速控制量n对应的频率f数据。

在步骤S4之后还包括：步骤S5，执行超声波电机转速控制，首先给定转速控制量，而后是根据角度传感器反馈元件测量超声电机转速值，计算出转速控制量。

在步骤S6之后还包括：步骤S7，结合系统时钟频率，利用计数器在FPGA内部生成4路相位相差90°的方波，对超声电机的转速进行控制。

步骤S2中拟合转速n-频率f曲线按照如下公式进行：

n=A·e(-fB)+C,]]>

其中，A、B、C为常数，e为自然对数。

步骤S4中的映射表格，储存于FPGA芯片的片内ROM中。

方波根据简易方波算法得出，简易方波算法流程包括：

(1)首先确定当前时钟频率下1秒的时钟周期数Nummax，通过控制器计算后的方波频率为Numf；

(2)利用计数器Cnt每周期记一次数，步长为2*Numf；

(3)Out为输出的方波信号，初始值为0，当Cnt≥Nummax，Out取反，否则重复步骤(2)；

(4)重复过程(2)，(3)一次，完成一个完整波形；

(5)回到步骤(1)，重复上述过程。

输出的方波利用FPGA的I/O口直接输出至功放元件，

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种超声波电机转速线性化的控制方法，实现了对超声波电机转速的线性化的精确控制；

(2)本发明采用拟合法与插值法获得转速线性化所对应的(n,f)点对，使超声波电机的转速控制更加精准；

(3)本发明根据转速计算数据，结合系统时钟，利用计数器在FPGA内部生成相差90°的方波，并利用FPGA的I/O口直接输出至功放元件，减小了驱动板硬件电路的尺寸；

(4)本发明采用了一种简单的方波生成方法，其流程如图4所示，利用控制器计算出的频率为计数步长，累加出在当前时钟频率下1秒对应方波数。在频率数据转换为方波输出过程中没有乘除运算，这种方法占用逻辑资源较少且易于实施。

附图说明

图1为本发明的超声波电机转速线性化的控制方法的流程图；