直线超声电机的驱动电源与控制系统研究.pdf

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1、硕士学位论文直线超声电机的驱动电源与控制系统研究RESEARCHONTHEMOTORDRIVERANDCONTROLSYSTEMOFTHELINEARULTRASONICMOTOR齐欣达哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文直线超声电机的驱动电源与控制系统研究硕士研究生：齐欣达导师：陈维山教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex

2、:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEMOTORDRIVERANDCONTROLSYSTEMOFTHELINEARULTRASONICMOTORCandidate：QiXindaSupervisor：Prof.ChenWeishanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：S

3、choolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要直线超声电机相比于传统电机具有许多优点：结构体积小、拥有较高的定位精度和停止力矩、可实现精准的定位和驱动、拥有很强的环境适应能力。同时，它可以直接进行直线运动的驱动，减少运动形式转化所造成的误差。因此，它拥有广泛的应用前景，国内外学者也对其新型构型，控制方法展开了众多

4、的研究。由于直线超声电机的驱动控制系统以及相应的控制方法对其运行性能有很大的影响，驱动特性较为复杂，因此本文对直线超声电机的驱动系统以及控制方法进行研究，通过设计制造驱动平台并应用不同的控制方法，来改善直线超声电机的驱动性能以及运行精度。本文首先对所研究的直线超声电机进行分析，并进行实验平台的搭建，分析相应驱动电源与控制系统的设计要求和功能需求。接着进行直线超声电机驱动控制系统的硬件设计。驱动电源电路包括：信号生成与控制电路、功率放大电路以及电压信号采集电路。信号生成与控制电路主要包含DSP和FPGA电路系统以及相关

5、信号处理电路，实现低电压驱动信号的生成。功率放大电路主要包含功率放大器电路，实现驱动信号放大的功能。电压信号采集电路主要包含微控制器电路系统以及模数转换电路，实现对低电压驱动信号的采样以及反馈。接下来进行了嵌入式驱动控制系统的软件设计。在DSP芯片以及FPGA芯片中进行程序设计，实现不同控制器的算法实现以及驱动信号的生成。通过对微控制器芯片的软件设计，实现对模数转换芯片的采样频率和数据转换的控制。同时，在各芯片中编写程序实现串口通信，实现各功能模块以及传感器之间的数据传输。制作并调试完成的驱动控制电源，可输出两路正弦

6、波驱动信号，输出幅值达到0V到500V，频率可稳定在24kHz左右，相位差可稳定在正负90度，两路信号分别进行水平与竖直纵振的激励，实现了针对直线超声电机的驱动电源的设计。同时，信号的幅值，频率，相位参数均可进行程序调控，其调节分辨率可分别达到7.6mV，0.023Hz，0.7°，满足直线超声电机的驱动控制要求。在完成驱动控制系统的设计和制作后，本文使用不同控制方法对直线超声电机进行驱动控制，并进行相关驱动实验。首先使用PID控制器，对直线超声电机进行速度控制，实验表明控制器降低了电机的速度误差，对电机进行了较准确稳

7、定的控制。接着使用模糊控制系统对电机进行驱动，实验表明-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文该控制方法进一步的降低了电机的速度误差，其对100mm/s的阶跃速度信号的跟随误差可以控制在3mm/s以内，并且缩短了电机进行正弦运动时的速度死区，提升了控制效果。当给定单向位移为200mm的平缓斜坡位置目标时，最终位置误差可控制在在5μm以内，因此得到了较好的位移控制效果。最后使用神经网络控制系统对电机进行控制，实验表明在进行充分学习后，采用幅值为50mm/s，频率为1Hz的正弦速度目标信号时，直线超声电机的速度误差控制在4.

8、9mm/s以内，驱动死区长度控制在0.018s以内，运行性能得到了进一步的提高，并使控制系统拥有了良好的适应性，改善了直线超声电机的运行性能。关键词：直线超声电机；驱动控制系统；PID控制器；模糊控制系统；神经网络控制系统-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractComparedwiththetraditionalElectro-M