基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统设计

发布时间：2017-04-27 20:13

  本文关键词：基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声波电机作为一种基于压电陶瓷材料的逆压电效应而进行工作的电机,具有运行噪声低、无电磁干扰、惯性小、响应快、断电自锁等诸多优点,因而,其在精密运动控制领域内得到了广泛应用。然而,由于压电能量转换、摩擦能量传递等始终贯穿于超声波电机运行期间,电机内部的非线性以及多个变量间的耦合效应均为明显。因此,需迫切提出有效的控制策略,并设计相应的驱动控制系统。本课题主要研究内容如下：1.引入了超声波电机的低频PWM控制思想。主要对通断PWM控制策略、正反转PWM控制策略以及正反转停PWM控制策略的原理进行了阐述；并从定子行波振动状况、开环转速特性以及输入功率等方面对三种低频PWM控制方法进行了比较,总结出了它们的适用场合。2.提出了基于低频PWM和单神经元自适应的控制方法。采用单神经元自适应策略产生一路低频PWM信号,将该低频PWM信号同采用DDS技术产生的四路对称高频PWM信号进行逻辑“与”运算,从而构成了通断PWM控制,以应对超声波电机的非线性和时变性给控制系统带来的挑战。重点对PID控制器参数的求解以及加权系数的调整过程,进行了深入的分析。3.对基于低频PWM和单神经元自适应超声波电机控制系统的架构进行设计。包括：基于DDS的四路对称PWM信号发生单元设计、双推挽逆变功放单元的设计、定子表面孤极电压反馈单元的设计、信号调理单元的设计、光耦隔离单元的设计、继电器保护单元的设计、电源模块的设计,以及基于Visual Basic的上位机界面设计。4.以两相行波超声波电机为实验电机,在基于DSP与CPLD相结合的驱动控制系统以及超声电机仿真软件的配合下进行了系统性能仿真测试,并着重对超声波电机的转速和位置特性曲线进行了分析。仿真结果表明,基于低频PWM和单神经元自适应的超声波电机控制系统,与固定PID参数控制系统相比较而言,具有较高的自适应性。
【关键词】：超声波电机 逆压电效应 低频PWM 单神经元自适应策略
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 1 绪论16-22
• 1.1 引言16-18
• 1.2 超声波电机的国内外发展现状18
• 1.3 超声波电机控制系统中存在的难题18-19
• 1.4 课题研究的意义19
• 1.5 课题研究的主要内容19-22
• 2 超声波电机的低频PWM控制策略22-30
• 2.1 超声波电机的控制方式22-24
• 2.1.1 调压控制22-23
• 2.1.2 调频控制23-24
• 2.1.3 调相控制24
• 2.2 低频PWM控制策略的思想24-25
• 2.3 低频PWM控制策略的实现25-27
• 2.3.1 通断PWM控制策略的实现25-26
• 2.3.2 正反转PWM控制策略的实现26
• 2.3.3 正反转停PWM控制策略的实现26-27
• 2.4 低频PWM控制策略的对比27-29
• 2.4.1 定子行波振动状况分析27
• 2.4.2 转速控制特性分析27-28
• 2.4.3 功率有效性分析28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 超声波电机的单神经元自适应PID控制30-38
• 3.1 超声波电机的频率自动跟踪30-33
• 3.1.1 驱动电压跟踪法30-31
• 3.1.2 驱动电流跟踪法31
• 3.1.3 孤极电压跟踪法31-32
• 3.1.4 驱动电压和电流相位差跟踪法32
• 3.1.5 驱动电压和孤极电压相位差跟踪法32-33
• 3.2 超声波电机的单神经元自适应PID控制33-36
• 3.2.1 单神经元自适应PID控制的基本思想33-34
• 3.2.2 单神经元自适应PID控制的系统结构34
• 3.2.3 PID控制器参数Kp、Ki、Kd的求解34-35
• 3.2.4 加权系数的调整35-36
• 3.3 本章小结36-38
• 4 超声波电机控制系统的硬件设计38-52
• 4.1 超声波电机控制系统的总体设计38-39
• 4.2 基于DDS的四路对称PWM信号发生单元设计39-41
• 4.2.1 DDS技术的工作原理39-40
• 4.2.2 基于DDS的四路对称PWM信号发生器40-41
• 4.3 四路PWM信号的隔离放大电路设计41
• 4.4 双推挽逆变功放电路的设计41-42
• 4.5 信号调理电路的设计42-47
• 4.5.1 孤极反馈电压调理电路设计43
• 4.5.2 光电编码器信号调理电路设计43-45
• 4.5.3 温度传感器信号调理电路设计45-47
• 4.6 光耦隔离电路的设计47
• 4.7 继电器保护电路的设计47-48
• 4.8 电源模块的设计48-51
• 4.8.1 直流12V稳压电源的设计48-50
• 4.8.2 直流5V稳压电源的设计50
• 4.8.3 直流3.3V稳压电源的设计50-51
• 4.9 本章小结51-52
• 5 超声波电机控制系统的软件设计52-66
• 5.1 系统工作流程52-53
• 5.2 低频PWM信号的产生53
• 5.3 基于DDS的四路对称PWM信号的产生53-56
• 5.3.1 DSP与DDS间的通信机理53-54
• 5.3.2 基于DDS的两路正弦信号产生54
• 5.3.3 DDS中ROM分时复用单元的原理54-55
• 5.3.4 DDS中ROM分时复用单元的设计55-56
• 5.3.5 基于DDS的四路对称PWM信号产生56
• 5.4 单神经元自适应PID控制程序的流程图56-57
• 5.5 四倍频法脉冲信号的解码57-59
• 5.5.1 超声波电机转速的测定58-59
• 5.5.2 超声波电机位置的测定59
• 5.6 上位机界面的设计59-65
• 5.6.1 上位机界面功能的组成59-61
• 5.6.2 上位机界面的工作流程61
• 5.6.3 上位机界面主要控件的设计61-65
• 5.7 本章小结65-66
• 6 系统性能仿真测试66-74
• 6.1 单神经元自适应PID控制系统下几种信号波形的检测66-68
• 6.1.1 对称PWM信号波形的检测66-67
• 6.1.2 通断PWM信号波形的检测67-68
• 6.1.3 双推挽逆变电路输出波形的检测68
• 6.2 单神经元自适应PID控制系统下超声波电机转速特性分析68-72
• 6.2.1 启动阶段转速特性分析68-69
• 6.2.2 稳定状态下转速特性分析69-72
• 6.3 单神经元自适应PID控制系统下超声波电机位置的测定72-73
• 6.4 本章小结73-74
• 7 总结与展望74-76
• 7.1 总结74
• 7.2 展望下一步研究工作74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 作者简介及读研期间主要科研成果82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄帆;金龙;徐志科;潘鹏;;基于卡尔曼滤波的超声波电动机测速算法研究[J];微特电机;2015年11期

2 杨新龙;李荣;罗小英;;基于行波型超声波电机的天线自跟踪控制系统[J];微电机;2015年10期

3 吴聪聪;侯再红;何枫;谭逢富;张巳龙;;基于自适应的大气相干长度测量仪控制系统设计[J];计算机测量与控制;2015年09期

4 潘鹏;徐志科;金浩;金龙;陈爽;黄帆;冷静雯;;基于H_∞混合灵敏度方法的超声波电机调速控制[J];东南大学学报(自然科学版);2015年05期

5 曲建俊;李锦棒;;基于电接触法的行波超声电机接触特性研究[J];声学学报;2015年05期

6 范国鹏;周莉;殷明;李振华;蒋涛;周文庆;;基于时空转换法的正弦波光栅尺位移测量系统设计[J];传感技术学报;2015年09期

7 马敏;张洋;周苗苗;李新健;;基于自适应单神经元PID的四旋翼飞行控制研究[J];计算机测量与控制;2015年08期

8 付文秀;苏杰;;基于果蝇优化算法的水轮发电机组PID参数优化[J];计算机仿真;2015年02期

9 侯一民;朱志超;;单神经元PID控制算法在智能车控制系统的应用[J];化工自动化及仪表;2015年02期

10 张传民;甄国涌;齐蕾;姚宗;;铂电阻线性化和抗干扰测温模块的研究[J];自动化与仪表;2014年10期

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 殷明;基于嵌入式平台的智能家居系统的设计与实现[D];安徽理工大学;2014年

2 高伟松;基于DSP的交流伺服电机的自抗扰控制研究[D];河北大学;2013年

3 刘强;超声波电机建模和驱动控制研究[D];武汉理工大学;2013年

4 孙素平;基于DDS技术信号发生器的研究与设计[D];哈尔滨工业大学;2010年

5 许颜颜;行波型超声波电机通断PWM控制策略研究[D];河南科技大学;2009年

6 张新星;基于ARM的超声波电机速度位置控制系统研究[D];扬州大学;2009年

7 顾文波;基于超声电机的目标识别与跟踪系统[D];南京航空航天大学;2007年

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本文编号：331355