步进电机

1.1 步进电机概述

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多;输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。，其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。

1.2步进电机的特征

步进电机具有自身的特点，归纳起来有：

(1)位置及速度控制简便:

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转度可在相当宽范围内平滑调节。

(2)可以直接进行开环控制:

因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。

(3)高可靠性:

不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。

(4)具定位保持力矩:

永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。

(5)中低速时具备高转矩:

步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

同时，步进电机也有自己的一些缺点:

(l)步进电机带惯性负载的能力较差。

(2)不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。

(3)输出转矩随转速的升高而下降。

1.3步进电机驱动系统概述

步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等

(1)单电压驱动:主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。

(2)高低压驱动:电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。

(3)斩波恒流驱动:为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。

(4)调频调压驱动:特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。

(5)细分驱动:它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。

1.4国内外研究概况及发展趋势

目前在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采

用的是步进电机作为伺服控制系统的。因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法己经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式P功控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。工业发达的国家都在大力发展精密定位技术，利用它进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力。为了满足定位精度的要求，各国都在研究影响系统精度的因素，以及如何实现固有的精度指标。在精度定位研究方面水平最高的是美国，其LINL国家试验室、Moore、 VnionCarbide、pneumoPrecision等公司均在精度定位系统研究与开发方面做出了卓越成效的工作。美国国防部高等研究计划局(DARPA)投资1300万美元，由L工NL试验室与1983年7月研制成功的LODATM大型超精密机床利用激光干涉测量系统，采用压电晶体误差补偿技术，使定位精度可以达到0.O25um，是世界公认最高水平的机床。但是该机床不但重达136Okg，体积庞大，造价更是昂贵。日本近些年来花费巨大人力、物力，开发、研制精密机床，1987年日本通产省开始的“超尖端加工系统的研究开发”是大型研究规划提出的设想。

但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表着最新科学技术的发展，同时与航空、军事、核能等方面联系密切，各国对这部分技术是严格保密的。有关精密加工的高新技术和产品还对中国实行禁运。而发展精密加工技术又是我国的当务之急，因此我们必须依靠自己力量，加速发展自己的精密定位技术。随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小。功率开关管目前采用的功率场效应管(MOSFET)，与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点;性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也己应用于高速型及较大功率的步进电机驱

动电路中。

1.5毕业设计任务

本设计的题目来自于本人在东莞新科磁电技术研究开发有限公司实习时做的一个项目一锡球焊接新工序开发，项目中如何提高锡球焊接的位置精确度至关重要，其中的执行机构就是三相混合式步进电机。本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要内容有:

(l)采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。

(2)用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。

(3)驱动器的功率驱动环节采用美国国际整流器公司生产的功率MOS器件(或IGBT)栅极驱动集成电路IRZ130，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。

(4)控制电路主要由ATC51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel一8279等组成，单片机是控制系统的核心。采用了Intel公司研制的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。8279键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，该接口电路能大大节省CPU的开销，提高了可靠性和CPU工作效率。

第2章 混合式步进电机及其工作原理

2.1混合式步进电机的结构特点

混合式步进电机的典型结构如图2一1所示，主要由定子、转子和机壳构成。定子结构包括定子磁极，绕组线圈和绝缘材料组成。定子上有多个磁极，每个磁极上绕有励磁线圈，磁极末端有均匀的小齿。相对两个磁极的励磁绕组串联在一起构成一相控制绕组，通电时，这两个磁极的极性是相同的。按相数的多少分为不同结构的混合式步进电机，常见的是2相、3相和5相混合式步进电机。转子由环形永磁体及两段铁心组成，环形永磁体在转子的中部，轴向充磁，使转子一端极化为南磁极，另一端极化为北磁极。两段铁心分别装在永磁体的两端，转子铁心上有小齿，两段铁心上的小齿相互错井半个齿距。通常三相步进电机的转子有50齿，两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，即错开3.60，定转子小齿的齿距通常相同。

2.2混合式步进电机的基本工作原理

图2一2为三相混合式步进电机的简化模型，定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的两个磁极上，绕组通电时这两个磁极的极性是相同的，它的每段转子铁心上有八个小齿。从电机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子齿的轴线就错开l/3齿距。如图2一2(a)中所示a段转子铁心的情况，A相磁极下定转子齿的轴线重合时，B，C相磁极分别与转子齿错开士1/3齿距。

假如转子上没有磁体，只是在定子的控制绕组里通电，这个电机不产生转矩。由于转子磁体的作用，使a段转子铁心呈N极性，b段转子铁心呈S极性。当A相通电时，转子处于图中所示的位置，此时与a段转子铁心相对的定子A相极下气隙磁导为最大，与b段转子铁心相对的定子A相极下气隙磁导为最小。当转子转动时，a段转子铁心对应的A相极下气隙磁导减小，b段转子铁心对应的A相极下气隙磁导增大，使得A相主磁路上的总磁导基本不变，其它相通电时也一样，所以没有转矩。

三相混合式步进电机的转子磁体充磁以后，一端为N极，并使得与之相邻的转子铁心的整

个圆周都呈N极性;另一端为S极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈S极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁体的作用，电机也基本上不产生转矩。永磁磁路是轴向的，从转子a端到定子的a端，轴向到定子的b端、转子的b端，经磁体闭合。在这个磁路上每个极的范围内，由于两段转子的齿错开了1/2齿距，当一端磁导增大时，另一端磁导必然减小，在忽略高次谐波时，使每个极的总磁导在转子位置不同时基本保持不变，因而整个磁路的总磁导与转子位置无关。只有在转子磁体与定子磁场相互作用下，才产生电磁转矩。例如转子磁体充磁，且定子A相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即A相a段极下定转子齿对齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向逆时钊一方向转了一个小的角度△0，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的方向，如图2一3(a)、(b)所示，由于沿圆周方向电机结构的对称性，图中只画出了通电相一个极下的情况。可以看到，两段转子铁心所受到的电磁转矩是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。这是由于在电机两端，定子极性相同，转子极性相反，但互相错开了半个齿距，所以当转子偏离稳定平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。同时可以清楚地看到，混合式步进电机的稳定平衡位置是:定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导最小。

上述电机任意二个相邻定子磁极轴线间的夹角为3600/6二60‟，每一个转子齿距所对应的空间角度为3600/8=45。当一相绕组通电，例如A相绕组正向通电，B、C二相绕组不通电时，电机内建立以A才为轴线的磁场。这时A相磁极呈S极性，而转子铁心a段呈N极性，b段呈S极性，由于转子的稳定平衡位置是使定转子异极性的极下磁导最大，同极性的极下磁导最小的位置，故转子处于图2一2所示的位置:A相磁极与a段转子齿轴线重合，与b段转子齿错开1/2齿距。

2.3混合式步进电机的控制特点

2.3.1转矩矢量分析

图2一4是三相混合式步进电机各相绕组单独通电和多相绕组同时通电时合成转矩矢量图。

2.3.2绕组通电方式

在步进电机中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就过一个步距角。每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一个步距角。对步进电机加一系列连续不断的脉冲时，它可以连续断的转动，转子的平均转速正比于脉冲的频率，转子转过的角度等于步距角脉冲数量的乘积。如上所述，在A、B、C三相绕组内分别单独通电的运行方称为三相单六拍运行。“三相”是指三相步进电机，“单”是指同时只有一相组通电，“六拍”是表示六种通电状态为一个循环，即六次通电状态后电机内磁场恢复到初始的状态，转子转过一个齿距，定转子齿的相对关系不变。除了三相单六拍运行方式外，三相混合式步进电机还可以在不同的通电式下运行，有4种基本逻辑通电方式：

(1)3拍通电方式:有2一2相通电和3一3相通电两种运行方式。

(2)4拍通电方式:有2一3相通电运行方式。

(3)6拍通电方式:有2一2相通电和3一3相通电两种运行方式。

(4)12拍通电方式:有2一3相通电运行方式。

2.3.3步距角的控制

在不同的通电方式运行下，步进电机的步距角是不一样的，其大小为齿距角除以拍数，若用m，表示运行拍数，Z:表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度称为步距角，用民表示，则:

2.4步进电机的运行特性

2.4.1静态运行状态

步进电机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角。叫做失调角，用电角度表示。步进电机静态运行时转子受到的转矩T称作静转矩，通常以使夕增加的方向为正。步进电机的静转矩T与失调角夕之间的关系叫做矩角特性。当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为2二。在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与异极性的转子齿对齐，那么失调角0二0，静转矩T=0，如图2一5(a)所示:如果定子齿与异极性转子齿未对齐，即，出现切向磁力，其作用是使转子齿与定子齿尽量对齐，即使失调角0减小，故为负值，如图2一5(b)所示。如果为空载，那么转矩作用的结果是使异极性转子齿与定子齿完全对齐;如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开，即夕二二，转子齿左右两个方向所受的磁力相等，步进电机所产生的转矩为0，如图2一5(e)所示。

2.4.2步进运行状态

当脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲„到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进运行状态。当空载时步进电机的运行状态如2-7所示，通电顺序为A- B-C-A。

当A相通电时，在静转矩的作用下转子稳定在A相的稳定平衡点a，显然失调角0，静转矩为0。当A相断电，B相通电时，矩角特性转为曲线B，曲线B落后曲线A一个步距角凡=2/3，转子处在B相的静稳定区内，为矩角特性曲线B上的b，点，此处>0，转子继续转动，停在稳定平衡点b处，此处角度又为0。同理，当C相通电时，又由b转到c，点，然后停在曲线C的稳定平衡点c处。接下来A相通电，又由c转到a‟并停在了处，一个循环过程即为。A相通电时，为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电时，新的稳定平衡点

为b，在换相的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点，所以该区域称为动稳定区，显而易见，相数增加或拍数增加，步距角越小，动稳定区越接近静稳定区，即静、动稳定区重叠越多，步进电机的稳定性越好。

2.4.3连续运转状态

当脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲己经到来，步进电机已经不是一步一步的转动，而是呈连续运转状态。在改变各相通电状态的瞬间，只要失调角在动态稳定区内，转子就会不失步的继续向前转动。步进电机在带负载情况下启动时，不但要克服负载转矩，还要克服惯性转矩。如果输入的脉冲频率过高，在下一个脉冲到来时，失调角还未进入动态稳定区，电机就不能

起步。启动频率与负载转矩的关系称为起动矩频特性，又称牵入特性。当电机起动以后，惯性转矩的影响减少，电机就能以比起动频率高的脉冲频率连续运转。运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。步进电机相数越多或拍数越多，步距角越小，入稳定区域越容易，起动频率就越局。

脉冲频率升高，电机转速增加，步进电机所能带动的负载转矩将减小。主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升所能到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电机运行中产生的反电势增加，使绕组电流减小，也使电机的输出转矩下降。总之，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小。

第3章 步进电机驱动系统

3.1步进电机驱动系统简介

步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。

控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。

3.2步进电机驱动器的特点

步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面]。

(l)各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。

(2)步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时，电流上升受到，因此影响电机绕组电流的大小。

(3)绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。

(4)电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。

(5)电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用于功率器件。当其叠加结果使电机绕组两端的电压大大超过电源电压时，使驱动器工作条件更为恶化。

(6)混合式步进电机的绕组必须用双极性电源供电，也就是说，绕组有时需通正向电流，有时需通反向电流。

所以，根据以上的特点，步进电机的驱动器必须要保证步进电机绕组有足够的电压、电流和正确的波形，而且同时要保证驱动器功率放大器件安全运行，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本，这就要求选用合适的功率器件合理设计线路。

3.3步进电机相绕组的电气特性

步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，电阻和电感是电机相绕组的两个固有属性，电机的性能和这两个因素密切相关。绕组通电时，电感使绕组电流上升速度受到，因此影响电机绕组电流的大小。绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素。

步进电机的相绕组可以等效为一个电感一电阻串联电路。图3-1表明了一个电感一电阻电路的电气特性。在t=0时刻，电压V施加到该电路上时，电路中的电流变化规律为:

不同频率的矩形波电压施加到该电路上。低频时电流能够达到最大值(a);当矩形波频率上升达到某一临界频率，电流刚达到最大值就开始下降(b);矩形波频率超过此临界值后，绕组中的电流不能达到最大值(c)。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比，所以电机低速运行时，电机能够达到其额定转矩，而在某一特定频率以上运行时，绕组电流随着频率的提高逐渐下降，电机转矩也相应逐渐减小，从而降低了高速运转时带负载能力。

3.4混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较

与反应式和永磁式相比，混合式步进电机运行特性具有很多优点，在国外已是步进电机系列的主流。混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动;根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等。

3.4.1双极性驱动器与单极性驱动器

混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的(图3-3)。最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关管，结构简单，成本低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小，有利于电机的高速性能;缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机。而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要9个引出端，五相电机则需要15个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机。

3，4.2单电压驱动方式

单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压V，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数L/R(L为绕组的电感，R为绕组的电阻)上升，直到达到额定电流I=V/R。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变(图3-6)。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况

电机利用压电晶体的逆压电效应

文章来源：中国电机网 添加人：admin 添加时间：2011-8-9

超声波电机是一种是利用压电晶体的逆压电效应，并借助于摩擦力驱动转子的新型电机。具有结构简单、低速大转矩、高分辨率、响应速度快、断电自锁、可用于直接驱动等特点，特别适合于控制电机使用。

现有的超声波电机控制方法主要是改变驱动电压、驱动频率和相位差。但是理论分析和实践表明，对于超声波电机来说，激励频率或驱动电压幅值和相位差与电机转速的变化呈强非线性关系，建立它们间的控制理论模型很困难。虽然目前已提出了如模糊、模型参考自适应、神经网络、模糊神经网络、滑模控制、遗传算法等不依赖数学模型的控制方法，但是以上这些控制方法存在控制精度低或控制算法复杂的缺点，如模糊控制要求具有较多的电机运行经验，自适应和神经自适应和神经网络控制的算法复杂、计算量大，不利于实时控制，而且以上这些控制方法基本上是用PC机来实现算法。数字信号处理芯片（DSP）具有强大的实时计算能力，可以很容易实现实时控制算法，因此国内有很多单位 采用DSP来控制超声波电机，同时用DSP完成相应的控制算法，目前这些控制算法都较为复杂。对于超声波电机的速度和位置控制，研究一种可以充分发挥DSP性能而且实用的控制算法十分必要。

由于超声波电机输入输出的非线性关系，没有精确的数学模型可以对其进行描述，虽然可以采用常规的PI算法对其控制，但是当控制条件变化时，由于电机转速的变化与外部控制量是非线性关系，因此PI控制不能取得很好的控制效果。神经元作为神经网络的基本单位，具有自学习和自适应能力，而且结构简单易于计算。若将神经元与传统PID算法的优点相结合，则可以在一定程度上解决传统PID调节器不易在线实时整定参数，难于对一些复杂过程进行有效控制的不足。

本文提出神经元自适应PID的控制方法，对超声波电机速度和位置进行控制。介绍了超声波电机的一些运行特性，给出了基于神经元自适应PID的控制算法，最后给出所采用的实验系统与实验结果。

2超声波电机的运行特性根据超声波电机的工作原理，超声波电机是工作在谐振状态下，目前采用的调速手段有：①调节频率和相位差，从而实现电机的速度、位置控制，而且通过控制二相输出波形的时序，可以使电机具有正、反转控制功能；②二相输出电压可调，这可以通过改变PWM的占空比来实现输出电压可调，从而调整电机转速。一般采用调节频率和相位差的方法对超声波电机进行速度控制。

此外，系统还应该具有通信能力。由于DSP的数据存储能力比较有限，可以利用通信接口将DSP采集到的数据送到计算机实时显示并保存。主电路采用的是二相推挽电路，实现直流电源到高频交流电的逆变，控制系统采用TI公司的TMS320LF2407DSP作为控制器。时改变频率得到的。从图中可以看出，其谐振点是速度最高点。当频率低于谐振频率时，速度迅速下降，因此这一段频率范围不适合对电机进行调速。

当频率高于谐振频率时，速度下降比较平稳，这段频率范围比较适合于对电机进行调速。从可以看出，在相同频率下，当外加负载时，转速会有所下降。转速下降的多少与负载的大小有关。

当固定二相驱动信号的频率，调节相位差时超声波电机的特性如所示。当二相驱动信号的相

位差反向时，电机就按照原来相反的方向运行。当驱动信号的相位差为90°时，电机的转速最大。从可以看出，随着相位差的变化，电机的转速也会发生变化；当相位差变得

比较小时，转速会迅速下降。当相位差接近于零时，有一个速度死区，这个死区会随着负载的增大而增大。当电机的负载增加时，在相同相位差的情况下电机的转速会变慢。因此使用相位差调速时其调整范围有一定的。相位差比较小时控制效果不是很理想。 3神经元自适应PID控制系统对于超声波电机的速度控制，本文采用频率调节；对于位置控制，则通过固定频率，调节相位差的方法控制实现。

3.1速度控制传统的PI算法通过调节电机输入信号的频率来实现速度控制，式中f（k）――输出频率kI――积分常数kP――比例系数本时刻和上一时刻的误差对于传统的PI或者PID调节器来说，其参数在系统初始化时就已经设置好，不便于在线修改，因此当控制对象发生变化时，就不能对控制对象进行很好的跟踪。

为了实现PID调节器的参数可以根据被控对象的变化而变化，本系统采用神经元自适应算法来实现PID参数的在线调整。这是由于由神经元自适应算法构成的控制器可以充分利用神经元的自学习功能，在运行中可以根据被控对象的变化，对神经元的权重值进行调整，使得整个系统具有自适应PID的控制特性。神经元自适应PID控制算法的系统框图如所示。

r为系统给定值，y为系统输出，状态变换器输出为神经元学习控制所需要的状态量x1（k）、x2（k）、x3（k）。这里，x1（k）、x2（k）、x3（k）分别定义为= ∑（2）式中k――神经元的比例系数，k＞0ω1（k），ω2（k），ω3（k）――神经元对x1（k）、x2（k）、x3（k）的权重系数f[？]取带限幅的线性函数。

在神经元的学习算法中，借用最优控制中二次型性能指标的思想，从而实现对输出误差的控制。取目标函数321（）[（）（）]（）2iJkriyiei==∑（3）其中，r为给定参考值，y为反馈值，对于速度控制来说，y为速度反馈值；对于位置控制来说，y为位置信号反馈值。为保证权重值修正以J（k）相应于ωi（k）负梯度的方向进行

（4）式中ηi――学习速率，ηi＞0由式（2）、式（3）可以得到未知时，可以采用差分近似来处理（这样做同时也便于使用数字信号处理实现该算法），即（ （5）利用式（5）可以实现权重值的自学习。

对于传统的PID控制器来说，e（k）为PID控制器的输入，u（k）为PID控制器的输出，可以得到

（6）式中KP――传统PID控制器的比例系数TI，TD――传统PID控制器的积分时间常数和微分时间常数T――采样时间对于神经元PID来说31（）（）（）iukkkxkω=？ =∑比较式（2）与式（6）的PID参数，可以得到1P（）kKω=2PI（）/kKTTω=3PD（）/kKTTω=因此，该神经元是一类在线自适应PID控制。

3.2位置控制为了实现对超声波电机精确的位置控制，主要是通过神经元PID控制算法来调整输出信号的相位差，同时控制电机的频率为某一固定值。

对于传统的PID调节器，由于积分作用，可以实现无差控制。但是往往会使得电机在定位时产生过冲，而使用神经元PID算法时就可以减少这种过冲量。

采用神经元PID算法时，在实验中先把二相驱动信号的频率调整到41.8kHz左右，这样可以使电机以比较高的转速运行，从而实现快速定位。然后根据光电编码器的脉冲数计

算位置误差，最后对相位差进行调节， 式中e（k）――位置误差？（k）――PID控制器输出的相位差x1（k），x2（k），x3（k）参见前面的定义。

从可以知道，在相位差与速度的特性曲线中，对电机进行相位差调节时存在死区，负载越大则死区越大，因此在调节时应该避免使相位差落入死区。然而在进行相位差调节时，相位差是连续变化的。为了解决这一问题，采用文献中提供的方法：对死区设一区间使得相位差实际输出在中，从而避免速度落入死区。

4实验系统及结果分析4.1测控系统实验所用的测控平台是由基于DSP的超声波电机驱动控制器、60mm行波型超声波电机、5000线光电编码器、PC机、直流稳压电源和磁滞测功机（模拟负载）等组成。

实验方法：使用基于DSP的超声波电机驱动控制器控制电机，光电编码器信号采用差分方案传给DSP，DSP处理后转化为速度值，作为输入变量供DSP进行实时计算，同时通过DSP的串行口传送到PC机进行显示和保存，数据采样频率为1000Hz.

4.2传统PI控制器在不使用控制策略的情况下，超声波电机的运行速度是波动的。运用式（1）对超声波电机进行速度控制，在某种程度上可以减少这种波动。是电机使用传统PID控制器时的速度特性曲线，从图中可以看出，速度在稳态时有一定的波动。 a为电机不带负载时的运行曲线，b是它的起动特性，若空载时设定的目标转速是90r/min，稳态时实测运行的转速范围是[84，99]r/min.由图可见，电机起动时有一定的时延，时延的原因是定子通电后至稳态振动建立需要一定的时间，而且因为转子轴与光电编码器连接环节有一定挠性，速度上升的过程不是很均匀，在运行中速度还会有一定的波动。c为带0.2Nm负载时的运行曲线，d是对应的起动特性。若带0.2Nm负载时设定的目标转速是70r/min，稳态时实测运行的转速范围是[，76]r/min.由b、d对比可以看出，带负载起动时电机的响应有更大的滞后，但是运行中速度的波动比无负载时要小，这方面的理论和实验研究将另文再述。

4.3神经元PID调节器若利用神经元PID调整PID参数，就可以克服传统PID出现的一些问题，使得系统性能达到最优。

利用以上的测控平台，在电机带负载的情况下，用本文所提的神经元PID算法控制电机转速，由于DSP内部使用定点运算，因此在进行速度值转换处理时会有转换误差。若设定的目标转速是70r/min，实测运行的转速范围是[67，73]r/min，如所示（电机的负载力矩为0.2Nm）。从a可以知道，与传统PID调节器运行过程相比，电机运行中的速速度控制特性曲线Fig.6Characteristicsofspeedcontrol度波动明显变小，对负载的适应性比较强。b是其对应的起动特性（放大），与普通PID调节器相比，神经元PID算法使电机在起动中速度的变化比较平稳，转速波动的情况也没有出现。

从c可以看出，在有负载的情况下（电机的负载力矩为0.2Nm），电机的速度在70r/min与40r/min之间反复跳变，若目标转速是70r/min，实测运行的转速波动范围为±3r/min；若目标转速是40r/min，则转速波动相对误差比70r/min大，范围是±4r/min. 用本文的神经元PID算法实施位置控制，a表示在空载情况下，电机从0°转到180°然后再回转到0°的往复过程，b表示其对应的定位时放大的位置曲线；c表示电机在带0.

2Nm负载时重复上面的实验，d表示其对应定位时放大的位置曲线。

由a与c对比可以知道，当电机带负载时，转过相同角度所需的定位时间将比空载时增加。此外，从可以看出，当电机快要接近目标位置时，神经元PID算法对DSP的输出相位进行调整，使电机的速度减低，这样当电机接近目标位置停止时，误差可以最小，从而可以达到精确定位的目的。本实验采用的光电编码器为5000线，经DSP4倍频以后为20000线，因此每个脉冲的最小分辨率为0.018°，从实验可以知道，位置控制的最大误差为1个脉冲。

5结束语本文针对超声波电机的强非线性，提出了自适应神经元PID算法，并通过超声波电机进行速度与位置控制。这种算法主要是结合神经元PID调节频率实现速度控制，改变相位差实现位置控制，然后通过实验验证其有效性。实验结果表明：使用自适应神经元PID的速度控制与其他控制方法

相比，起动时的速度抖动明显减少，稳态时的速度波动也不大，可控制在4以内。自适应神经元PID相位差的位置控制与其他类型PID相比，由于其参数可以随着负载的变化而变化，因此对负载的适应性更强，超调量也很小。综上所述，由单神经元构成单神经元自适应PID控制器，不但结构简单，学习算法意义明确，计算量小，易于实现，且能适应控制对象的变化。