基于低頻pwm和單神經(jīng)元自適應的超聲波電機控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兩相超聲波電機，具體是涉及基于低頻PWM和單神經(jīng)元自適應的超聲波電機控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波電機結(jié)構(gòu)及運行原理不同于傳統(tǒng)的電磁電機，它是利用壓電材料的逆壓電效應產(chǎn)生超聲波振動，從而把電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲波振動，并通過摩擦傳動的方式轉(zhuǎn)換成運動體的回轉(zhuǎn)或直線運動。由于包含壓電能量轉(zhuǎn)換、摩擦能量傳遞等過程，超聲波電機非線性及內(nèi)部多變量耦合較為嚴重。PID、自適應、滑模變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型參考、逆模型、H~等方案，都已被用于超聲波電機的運動控制，改善了超聲波電機運行過程中的諧振頻率點漂移、溫度補償?shù)葐栴}，提高了速度穩(wěn)定性與跟蹤性能，但是控制效果仍有較大的改進余地。研宄合適的驅(qū)動控制電路及適當?shù)目刂撇呗?，提高電機運動控制系統(tǒng)的運行精度、效率及可靠性依然是重點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是提供一種電源利用率高、調(diào)速范圍寬、電機運行狀態(tài)穩(wěn)定、系統(tǒng)具有自適應能力、便于數(shù)字化方案實現(xiàn)的基于低頻PWM和單神經(jīng)元自適應的超聲波電機控制系統(tǒng)。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:基于低頻PWM和單神經(jīng)元自適應的超聲波電機控制系統(tǒng)。它包括系統(tǒng)電源、超聲波電機、LCD液晶屏、開關(guān)電源電路、隔離驅(qū)動電路、隔離放大電路、雙推挽逆變電路、整流電路、光電編碼單元、與運算電路、串口驅(qū)動電路、系統(tǒng)信息接口以及高速微處理器DSP和CPLD。
[0005]所述高速微處理器DSP包括具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的A/D轉(zhuǎn)換器以及輸出端口、通用I/O接口(GP1)、定時器、看門狗、正交解碼單元、PWM模塊、電可擦除存儲器、通信用的CAN總線、異步串行總線SCI及同步串行總線SPI等。處理器運行主頻為150MHz，能高速處理外來信息及運算，為系統(tǒng)可靠運行提供保證。其中，內(nèi)置正交解碼單元配合光電編碼單元，實現(xiàn)了對電機運行速度和轉(zhuǎn)角的獲取。另外，12位精度的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為系統(tǒng)精確地獲取超聲波電機的孤極反饋電壓提供了保證；
[0006]所述系統(tǒng)電源連接具有過壓和過流保護的開關(guān)電源電路，開關(guān)電源電路為系統(tǒng)提供12VDC、5VDC、3.3VDC三種狀態(tài)的電源，其中12VDC開關(guān)電源為USM驅(qū)動電路提供直流穩(wěn)壓電源，5VDC開關(guān)電源為隔離驅(qū)動電路、光電編碼單元以及串口驅(qū)動電路提供直流穩(wěn)壓電源。3.3VDC開關(guān)電源為高速微處理器DSP和CPLD提供直流穩(wěn)壓電源，所使用的開關(guān)電源都是具有抗高電壓及防過電流的高效電源，且有很好的節(jié)能效果；
[0007]所述高速微處理器DSP的串行通訊SCI接口經(jīng)串口驅(qū)動電路與系統(tǒng)信息接口連接，實現(xiàn)系統(tǒng)運行指令的輸入和運行狀態(tài)的輸出。高速微處理器可以通過串行通訊SCI接口把電機的運行轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、孤極反饋電壓向外傳輸。同樣也可以通過系統(tǒng)信息接口、串行通訊SCI接口向高速微處理器輸入電機運行指令控制電機的各種運行狀態(tài)；
[0008]所述隔離驅(qū)動電路是為了使高速微處理器輸出的信號既能有效傳遞又能使各自的電源相互隔離，提高系統(tǒng)的安全可靠性；
[0009]所述串口驅(qū)動電路是將前級輸入的信號處理為后級所需要的信號類型，使信號有效傳遞；
[0010]所述雙推挽逆變電路用來產(chǎn)生超聲波的兩相驅(qū)動電壓；
[0011]所述LCD液晶屏，它用來顯示電機的運行信息，通過液晶屏可以觀察到電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和孤極反饋電壓；
[0012]所述電可擦除存儲器記錄電機運行狀態(tài)的信息，包括電機運行時的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、孤極反饋電壓等，目的是為了當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時分析系統(tǒng)異常原因。
[0013]本發(fā)明以兩相超聲波電機為控制對象，根據(jù)低頻PWM信號對超聲波電機兩相驅(qū)動電壓的相位進行設(shè)置(電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止)、根據(jù)低頻PWM信號的占空比設(shè)置(電機的轉(zhuǎn)速)，通過高速微處理器DSP產(chǎn)生低頻PWM信號，并與CPLD的輸出PWM信號進行邏輯與運算，依次經(jīng)隔離驅(qū)動電路、雙推挽逆變電路驅(qū)動超聲波電機，電機的運行狀態(tài)(轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、孤極反饋電壓)通過串行通訊接口、串口驅(qū)動電路、系統(tǒng)信息接口向外傳輸，同時可用IXD液晶屏顯示。電可擦除存儲器記錄電機運行狀態(tài)信息(電機運行時的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、孤極反饋電壓等信息)；在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時，也可以通過系統(tǒng)信息接口、串口驅(qū)動電路、串行通訊接口向高速微處理器DSP發(fā)送控制指令來控制電機的運行，保證系統(tǒng)的安全可靠運行。本系統(tǒng)具有電源利用率高、調(diào)速范圍寬、電機運行狀態(tài)穩(wěn)定、系統(tǒng)具有自適應能力等特點。
【附圖說明】
[0014]圖1是基于DDS的超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
[0015]圖2是基于DDS的對稱PWM信號發(fā)生單元圖
[0016]圖3是雙推挽逆變電路圖
[0017]圖4是單神經(jīng)元自適應PID控制器結(jié)構(gòu)圖
[0018]圖5是單神經(jīng)元自適應PID控制程序流程圖
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0020]1.開關(guān)電源電路
[0021 ] 本控制系統(tǒng)的系統(tǒng)電源連接具有過壓和過流保護的開關(guān)電源電路，為系統(tǒng)提供12VDC、5VDC、3.3VDC三種狀態(tài)的電源，其中12VDC開關(guān)電源為USM驅(qū)動電路提供直流穩(wěn)壓電源，5VDC開關(guān)電源為隔離驅(qū)動電路、光電編碼單元以及串口驅(qū)動電路提供直流穩(wěn)壓電源。3.3VDC開關(guān)電源為高速微處理器DSP和CPLD提供直流穩(wěn)壓電源，所使用的開關(guān)電源都是具有抗高電壓及防過電流的高效電源，且有很好的節(jié)能效果；
[0022]2.高速微處理器的選擇
[0023]由于本系統(tǒng)采用的單神經(jīng)元自適應控制策略控制低頻PWM信號占空比的方法運算量較大，因此選用高速微處理器TMS320F28335作為核心控制單元。另外選用CPLD作為核心執(zhí)行單元。高速微處理器DSP根據(jù)系統(tǒng)信息接口輸入的指令和來自電機運行時的反饋信息，一方面計算出電機閉環(huán)控制所需的低頻PWM信號，另一方面通過SPI通訊，向高速微處理器CPLD輸入DDS信號發(fā)生器的頻率、相位、幅值控制字。DSP輸出的低頻PWM信號與CPLD的輸出信號經(jīng)過基于DDS的對稱PWM信號發(fā)生單元處理后送至USM驅(qū)動單元，將四路對稱PWM信號作用于兩相推挽逆變電路及匹配電路，輸出具有一定幅值、頻率和相位差的兩相正弦電壓，從而驅(qū)動超聲波電機。其中，隔離驅(qū)動電路是為了使高速微處理器輸出的信號既能有效傳遞又能使各自的電源相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全可靠性；串口驅(qū)動電路是將前級輸入的信號處理為后級所需要的信號類型使信號有效地傳遞；雙推挽逆變電路為電機提供所需的兩相驅(qū)動電壓，實現(xiàn)電機無級調(diào)速，提高電機運行的穩(wěn)定性；
[0024]3.電機孤極反饋電壓信號的測量
[0025]本控制系統(tǒng)的孤極反饋電壓信號經(jīng)過整流電路處理后與高速微處理器DSP的12位A/D轉(zhuǎn)換器連接，因此可以精確地測量系統(tǒng)中的孤極反饋電壓信號，為精確地了解電機運行狀態(tài)、進行故障分析奠定了基礎(chǔ)；
[0026]4.電機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的測量
[0027]本控制系統(tǒng)中電機的轉(zhuǎn)向由電機兩相驅(qū)動電壓的相位差決定。至于轉(zhuǎn)向的辨別，可以通過光電編碼器A相信號的上升沿對應B相信號的高低電平來判斷:當A相信號的上升沿對應B相信號的低電平時，電機為正轉(zhuǎn)；當A相信號的上升沿對應B相信號的高電平時，電機為反轉(zhuǎn)。
[0028]本系統(tǒng)采用的光電編碼器為2500線，超聲波電機轉(zhuǎn)動一圈，光電編碼器發(fā)出2500個脈沖，經(jīng)DSP的QEP電路四倍頻后送到通用定時器T4的時鐘脈沖數(shù)為10000，也就是T4每計數(shù)一個脈沖電機旋轉(zhuǎn)0.0360度，所以該定位方法的定位精度達到0.0360度。
[0029]根據(jù)實際要求和上述的方法，將電機需要轉(zhuǎn)動的角度換算