陳 寧，鄭杰基，焦西凱，范世珣，陳虎城，范大鵬*

(1.國防科技大學 智能科學學院，湖南 長沙 410073;2.南京航空航天大學 航空學院，江蘇 南京 210016)

1 引 言

電磁[1]、壓電[2]等精密驅(qū)動功能部件是實現(xiàn)航空航天、智能制造等高端裝備中載荷精確運動/定位的重要基礎(chǔ)件。以壓電陶瓷為換能裝置，以定動子摩擦界面為傳力介質(zhì)的超聲電機一直是壓電功能部件家族的明星成員。近年來，因其低速大扭矩、響應(yīng)制動快、可斷電自鎖、無磁化等特點，超聲電機在空間探測器、智能制導炮彈[3-4]、精密運動平臺[5-6]、核磁共振裝置[7-8]等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，體現(xiàn)了良好的應(yīng)用潛力。

超聲電機作為一個利用逆壓電效應(yīng)和摩擦界面實現(xiàn)驅(qū)動的基礎(chǔ)部件，其驅(qū)動性能取決于正余弦兩相激勵信號幅值、頻率、相位差等參數(shù)的共同作用；同時由于高頻交流激勵與宏微觀運動相耦合的工作特點，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與激勵信號之間呈現(xiàn)顯著的非線性特性，而且內(nèi)外部的傳感信號呈現(xiàn)高低頻混疊、動態(tài)變化、規(guī)律復(fù)雜等特點[9]。以上因素造成了超聲電機控制參數(shù)與過程參數(shù)多且復(fù)雜的總體特點。以典型的行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機為例，需要調(diào)整的8項控制參數(shù)包括2項工況參數(shù)(預(yù)壓力、負載轉(zhuǎn)矩)，4項驅(qū)動參數(shù)(幅值等)以及2項伺服控制參數(shù)(速度、位置控制指令)，而需要進行測量或解算的13項過程參數(shù)有4項機械參數(shù)(角速度等)，5項電學參數(shù)(輸入電壓電流等)和4項能量參數(shù)(溫度、效率等)。同時為了定量化評估超聲電機性能，還需要通過參數(shù)間的高效組合快速形成有效的特性分析曲線，如幅值-速度、頻率-阻抗，轉(zhuǎn)矩-速度等。從前人研究來看，超聲電機測控系統(tǒng)的主要難點集中在以下幾個方面：(1)驅(qū)動參數(shù)可控的高頻信號生成；(2)工況參數(shù)重點是預(yù)壓力的精準在線調(diào)整；(3)電學參數(shù)的高精度采樣；(4)能量參數(shù)中界面溫度的實時準確測量；(5)通過參數(shù)快速組合形成高效的標準化分析流程。

在驅(qū)動參數(shù)可控的高頻信號生成上，多數(shù)測試系統(tǒng)通過“信號發(fā)生器+功放箱”組合或商用驅(qū)動器驅(qū)動超聲電機[11-13]，此方法不僅無法實現(xiàn)幅值、頻率、相位差3個參數(shù)的在線快速調(diào)節(jié)，也難以有效控制激勵信號的周期數(shù)，因此無法對電機的啟停瞬態(tài)特性進行細化研究。在預(yù)壓力參數(shù)的調(diào)節(jié)上，較多采用螺栓旋進加力的裝置[14]，不僅難以進行預(yù)壓力的數(shù)字化調(diào)整，而且需要對電機外殼結(jié)構(gòu)進行改造[15]，降低了測試系統(tǒng)的普適性。在電學參數(shù)的高精度采集上，利用電阻分壓或霍爾傳感器[14]測電流、電壓互感器測電壓的方式值得借鑒，在陶瓷阻抗上[15]，文獻[15]采用阻抗分析儀作為測量儀器，由于產(chǎn)生的激勵電壓較小(1～10 V)，因此難以獲得電機實際工作時的阻抗變化。而在溫度參數(shù)的獲取上看，產(chǎn)熱最大的摩擦界面的溫度狀態(tài)始終未能進行有效的測量，多數(shù)測溫系統(tǒng)檢測的是電機機殼的溫度[16]。除此之外，由于PXI采集卡等主控器件性能及功能上的缺陷，傳統(tǒng)的超聲電機測試裝置沒有形成整體化規(guī)范化的性能評估與數(shù)據(jù)分析流程。綜上，由于超聲電機自身參數(shù)多、信號類型復(fù)雜的特點，國內(nèi)外目前的測控系統(tǒng)不僅難以實現(xiàn)對超聲電機控制參數(shù)的在線快速精確調(diào)控與過程參數(shù)的高精度測量，還缺少體系化的性能評估與測試分析流程。

為了提供超聲電機性能測控分析所需的整體化解決方案，本文建立了一套多參量快速綜合測控實驗系統(tǒng)，在分項技術(shù)上突破了傳統(tǒng)測控系統(tǒng)難以解決的高頻信號可控生成、預(yù)壓力精準調(diào)控等問題，從總體上實現(xiàn)了對超聲電機8項控制參數(shù)的在線快速調(diào)整和13項過程參數(shù)的高精度采集解算，形成了超聲電機特性分析的整體化流程，為超聲電機的性能評估與控制方法研究提供了較全面的測試手段。

2 測控系統(tǒng)總體方案

2.1 工作機理

行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機的驅(qū)動原理如圖1所示。兩相同幅同頻的正弦信號激勵粘接在定子底面的壓電陶瓷產(chǎn)生形變，定子也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的高頻振動，振動狀態(tài)可以通過不參與激勵的孤極陶瓷獲得。在預(yù)壓力的作用下，定子和轉(zhuǎn)子之間因摩擦作用使得定子的微幅波動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的宏觀轉(zhuǎn)動，從而帶動負載。當電機運行時，由于多重能量損耗的存在，尤其是摩擦損耗的產(chǎn)生，電機內(nèi)外都存在一定的溫升，其中摩擦界面附近的溫升量最大[17]。不難看出，超聲電機是典型的多輸入多輸出機電耦合系統(tǒng)，且系統(tǒng)內(nèi)也耦合了很多非線性因素。

圖1 行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機的工作機理Fig.1 Mechanism of traveling wave ultrasonic motor

2.2 測控系統(tǒng)需求

根據(jù)超聲電機的工作機理及參數(shù)特點，梳理出測控系統(tǒng)的功能需求為：

(1)多參數(shù)驅(qū)動功能：實現(xiàn)幅值、頻率、相位差、周期數(shù)的在線調(diào)整且輸出波形質(zhì)量較好；

(2)工況設(shè)定功能：靈活設(shè)置超聲電機的工況參數(shù)，主要是實現(xiàn)預(yù)壓力和負載力矩的精細設(shè)定和測量；

(3)參量檢測及解算功能：對角速度、角位置、輸入電壓、輸入電流、界面溫度、軸向壓力、輸出轉(zhuǎn)矩等電機主要參量可實現(xiàn)采集、測量及解算，并具備較好的高低頻信號同步監(jiān)測能力，除此之外，電機定子兩相壓電陶瓷的阻抗和輸入功率可通過電壓和電流的實時采集和計算獲??；

(4)伺服控制功能：便于集成控制算法，可實現(xiàn)電機的速度及位置控制功能。

本文主要以南京航空航天大學研制的TRUM60型行波超聲電機為實驗對象，通過更換電機連接工作接口，也可用于其它類型的超聲電機實驗。對系統(tǒng)控制參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)的類型、測量范圍等技術(shù)指標如表1所示。

表1 超聲電機測試系統(tǒng)的指標

2.3 測控系統(tǒng)總體設(shè)計

依據(jù)測控系統(tǒng)需求與性能指標，制定了多參量測控系統(tǒng)的總體方案，如圖2所示。該方案同軸布置預(yù)壓力加載裝置、壓力傳感器、超聲電機、轉(zhuǎn)矩傳感器、角度編碼器、慣量模擬裝置及力矩加載裝置。于此同時將溫度采集裝置嵌入超聲電機體內(nèi)，用于敏感超聲電機運行時的定子界面溫度。

超聲電機系統(tǒng)的輸入輸出中，高頻信號和低頻信號同時存在。通過整合測控任務(wù)，設(shè)計了測控處理器和高頻測控模塊兩個單元。從圖2可以看出，測控處理器是整個測試系統(tǒng)的主控單元，一方面負責所有控制指令的輸出，包括三參數(shù)調(diào)整指令，預(yù)壓力指令與負載指令；另一方面接收系統(tǒng)采集或解算后的低頻信號，包括角位置、動態(tài)壓力、界面溫度、輸出轉(zhuǎn)矩、阻抗及功率。而高頻測控模塊的作用一是通過直接數(shù)字合成方法生成超聲電機工作所需的兩相正余弦控制信號，二是對電機實際端電壓和相電流進行高頻數(shù)據(jù)采集。由于高頻測控模塊生成輸入或輸出信號的幅值較小(0～10 V)，不能直接驅(qū)動超聲電機，因此還研制了驅(qū)動放大電路，該電路既能對高頻測控模塊生成的正余弦控制信號進行放大，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，還能對電機工作的實際端電壓和相電流信號進行隔離和調(diào)理，以便于高頻測控模塊對這些信號的采集。

圖2 超聲電機測控系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.2 Overall scheme of measurement and control system for ultrasonic motor

2.4 主要器件選型

為便于系統(tǒng)的實現(xiàn)，選擇德國dSPACE公司的DS1103控制箱作為圖2中的測控處理器,其最高伺服周期為50 μs；高頻測控模塊采用美國NI公司的FPGA板卡RIO-7854R，其板卡對模擬信號的最高采樣頻率為750 kHz，模擬信號的最高輸出頻率達1 MHz。這兩種設(shè)備都支持圖形化編程，亦可快速實現(xiàn)硬件在回路仿真，便于直接開展測量信號生成方法和閉環(huán)控制算法的研究。

編碼器選擇了日本多摩川公司的TS5700N8501型23位絕對式編碼器，支持2.5 MHz波特率的RS485通信，數(shù)據(jù)幀發(fā)送的時間間隔為37 μs，可以滿足角度測量和速度解算精度的要求。

3 測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)壓力施加及監(jiān)測、界面溫度敏感與處理、高頻驅(qū)動控制信號生成與采集等問題，是傳統(tǒng)超聲電機測試裝置中未得到很好解決的關(guān)鍵問題。

3.1 預(yù)壓力施加及監(jiān)測

預(yù)壓力是保證電機內(nèi)部摩擦驅(qū)動的關(guān)鍵因素，也是超聲電機的一項重要工作參數(shù)，對電機工作性能及使用壽命有著至關(guān)重要的影響[17]。本文采用伺服電動缸作為預(yù)壓力施加裝置，壓力傳感器用于軸向壓力檢測，電動缸端部通過過渡板作用在壓力傳感器基座上，推力致使壓力傳感器的敏感體抵住電機端蓋，從而將力傳遞給定子。為了保證導向性，將活塞頭過渡板壓力傳感器限制在套筒中。工作時，控制電動缸工作在力矩模式，其輸出力基本保持恒定，利用這一特性可實時在線地改變預(yù)壓力。上述設(shè)計導向精度高、施加力均勻，實現(xiàn)了預(yù)壓力的精準施加，同時壓力傳感器的存在可以定量化地監(jiān)測電機運動中軸向壓力的變化。經(jīng)過擬合標定，電動缸的指令I(lǐng)與出力F滿足F=162.81I-4.64。

3.2 界面溫度敏感及采集

超聲電機的工作過程始終伴有熱量損耗，導致內(nèi)部溫度增加，尤其是定轉(zhuǎn)子摩擦界面附近溫升較快[18]。為有效監(jiān)測界面溫度變化且不影響定子振動模態(tài)，最終選擇在定子齒隙附近布置MCBM薄膜溫度傳感器。該傳感器的有效敏感區(qū)域尺寸為2 mm×2 mm,檢測溫度為-50～250 ℃，并且具有較好的動態(tài)性能。圖3為所用的薄膜溫度傳感器以及它在超聲電機中的安裝位置。該薄膜傳感器的電阻隨著溫度的升高而減小，在驅(qū)動采集電路上的惠斯通電橋調(diào)理放大后，通過溫箱標定得到的電壓U與溫度T之間建立起非線性函數(shù)關(guān)系滿足T=0.026U3+0.12U2+4.9U+17。

將零部件同軸連接，并通過安裝架固定在基座上，設(shè)計出圖4所示的超聲電機機械試驗臺。

圖3 薄膜溫度傳感器測量敏感界面溫度Fig.3 Interface temperature detected by thin-film temperature sensor

圖4 超聲電機測試用機械裝置Fig.4 Mechanical apparatus for ultrasonic motor test

3.3 高頻信號生成及采集

為了全面實現(xiàn)高頻信號生成中參數(shù)設(shè)定、波形生成及采集解算等任務(wù)，設(shè)計了圖5所示的電路方案。其中，功放電路、變壓器、匹配電路、霍爾傳感器、電壓互感器以及溫度調(diào)理電路構(gòu)成驅(qū)動采集電路。系統(tǒng)方案的重點在于高速信號產(chǎn)生與高頻信號采集。在高速信號產(chǎn)生部分，在dSPACE上配置幅值、頻率、相位差、周期數(shù)等參數(shù)，經(jīng)CAN傳輸后在FPGA板卡中生成相應(yīng)的兩相正弦波UA0與UB0，最后經(jīng)功放電路放大、變壓器升壓以及并聯(lián)電感匹配生成超聲電機激勵信號UA與UB。在高頻信號檢測部分，兩相輸入電壓與孤極電壓通過電壓互感器進行檢測，采用南京中霍公司的PT107電壓互感器，其帶寬為80 kHz，測試得到的信號為Uas，Ubs與Ugs；兩相輸入電流則通過串聯(lián)在回路中的霍爾傳感模塊實現(xiàn)檢測，采用南京中霍公司的SLEME-CSR3.3-1A霍爾電流傳感器，其帶寬為100 kHz，測試得到的信號為Ias與Ibs，上述高頻信號都通過FPGA板卡進行采集解算，采樣頻率設(shè)為500 kHz。

在高頻信號解算部分，采集到的電壓、電流可以表示為：

(1)

式中:UAm，UBm為兩相電壓信號幅值，IAm，IBm為兩相電流信號幅值，f為激勵頻率，θ為兩相電壓的相位差，φia與φib為A相與B相的阻抗角。在得到電壓信號的幅值后，通過式(2)的計算并濾去式(2)后半部分的二次諧波得到A相陶瓷的輸入功率。

2PA=2UAIA=

UAmIAmcos(φia)-UAmIAmcos(2πft-φia)

(2)

然后由輸入功率可以得到的阻抗ZA,ZB，阻抗角φia,φib的表達為：

(3)

上述解算工作在FPGA板卡中實現(xiàn)。根據(jù)上述方案，對系統(tǒng)進行相關(guān)設(shè)計，設(shè)計后的超聲電機測控系統(tǒng)性能參數(shù)如表2所示。

表2 超聲電機測試系統(tǒng)的性能參數(shù)

Tab.2 Specifications of ultrasonic motor measurement system

項 目性能參數(shù)驅(qū)動信號FPGA+驅(qū)動電路幅值0～300 V頻率40～47 kHz相位差-180°～180°輸出電壓周期1 μs預(yù)壓力設(shè)置電動缸0～500 N角度檢測編碼器分辨率0.75 μrad發(fā)數(shù)周期37 μs電壓檢測電壓互感器+采集電路采樣頻率500 kHz幅值0～300 V精度1 V電流檢測霍爾傳感器+采集電路采樣頻率500 kHz幅值0～1 A精度3 mA溫度檢測薄膜熱電阻+采集電路-30～70 ℃軸向壓力檢測壓力傳感器0～500 N

4 測控軟件設(shè)計

針對傳統(tǒng)實驗裝置電機特性測控內(nèi)容不完備且測控效率較低的問題，設(shè)計了一套覆蓋超聲電機主要特性的標準化測控流程，進而依托dSPACE和FPGA平臺形成交互性友好的人機界面，以全面提升系統(tǒng)測試與分析的效率。

4.1 軟件功能定義及流程

按照2.2節(jié)，超聲電機測控軟件需要完成8項控制參數(shù)的靈活設(shè)置及調(diào)控和13項狀態(tài)參數(shù)的高速采集與解算。從超聲電機建模與控制研究的需求出發(fā)，待測曲線重點需要包括預(yù)壓力-速度特性、啟停換向特性、脈沖步進特性、驅(qū)動參數(shù)-速度特性、機械特性、阻抗特性與溫升特性等7項主要內(nèi)容。同時，測控軟件應(yīng)該具有快速存取數(shù)據(jù)并形成報告的能力。

圖6所示為超聲電機典型特性測試流程。執(zhí)行該流程圖時，針對特定的測試內(nèi)容運行已編好的程序模塊。在每一步的實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)能夠準確設(shè)置參數(shù)區(qū)間，靈活改變電機驅(qū)動參數(shù)與工況參數(shù)，從而完成對超聲電機的主要特性的測試及指標評估工作，并繪制相應(yīng)的標準化特性曲線，由此可快速獲知超聲電機的各項特性指標，最終形成可供評估的完整報告。

在圖6的步進運動特性測試環(huán)節(jié)中，能否實現(xiàn)全過程的精細測量是檢驗系統(tǒng)測試能力和水平的關(guān)鍵指標，也是本文測試系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)測試裝置的主要特點。其核心問題在于系統(tǒng)對宏觀、微觀狀態(tài)的同步獲取和處理能力，即超聲電機在步進運動的過程中速度、位置、溫度、電壓、電流與孤極信號能否有效地測量并在時間軸上精準對齊。為了實現(xiàn)高精度同步測試，在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用dSPACE數(shù)據(jù)采集特點與FPGA的高頻特性，設(shè)計了圖7所示的超聲電機脈沖步進過程瞬態(tài)特性的測試流程。

圖7 步進運動的瞬態(tài)特性測試過程Fig.7 Process of testing transient characteristics of stepping motion

步進運動瞬態(tài)特性的測試步驟如下：

(1)在dSPACE上初始化驅(qū)動參數(shù)，并通過CAN通信傳輸給FPGA板卡；

(2)dSPACE在T0時刻通過數(shù)字IO發(fā)出脈沖步進啟動指令，F(xiàn)PGA檢測IO指令上升沿，生成指定周期數(shù)的正弦信號，同時開始采集電機電學量，存儲在RAM中；

(3)待電機完全停止后，dSPACE于T1時刻通過CAN向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令。FPGA接收指令后，取出RAM中的數(shù)據(jù)并通過CAN發(fā)送給dSPACE，Controldesk界面在T2時刻顯示出電壓、電流、孤極信號以及電機角度、速度與溫度等信號。

4.2 測控界面設(shè)計

測試效率的快速提升既有賴于測試流程的標準化，也需要通過軟件設(shè)計形成人機交互較好的測控界面，其功能包括：

(1)開環(huán)條件下，對驅(qū)動參數(shù)、工況參數(shù)和控制指令參數(shù)進行設(shè)置；

(2)閉環(huán)條件下，靈活配置速度環(huán)、位置環(huán)參數(shù)，實現(xiàn)硬件在回路控制器的仿真；

(3)快速切換工作模式，實現(xiàn)高效自動測試；

(4)任何條件下實時顯示狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)測試模式形成相應(yīng)的特性曲線。

為實現(xiàn)上述功能，根據(jù)超聲電機工作過程信號高低頻共存的特點，在測控處理器(dSPACE)上利用Controldesk軟件設(shè)計低頻信號的測控界面，而在高頻測控模塊(FPGA)上則通過Labview軟件設(shè)計相關(guān)高頻信號的測控界面。

圖8為Controldesk測控界面，設(shè)置了指令參數(shù)、驅(qū)動參數(shù)、工況參數(shù)與速度位置環(huán)控制參數(shù)等輸入控件。同時，按照測控流程圖分列了7個模式，且在內(nèi)部集成了相應(yīng)的測試與數(shù)據(jù)采集程序，所需的曲線在界面上方的窗格中集中顯示。

圖8 Controldesk 控制界面Fig.8 Control interface of Controldesk

而Labview界面主要配置高頻信號處理所需的系統(tǒng)參數(shù)，用于產(chǎn)生兩相高頻正弦信號，并對電機的電流、電壓與孤極信號進行高速采集和實時顯示，同時將陶瓷輸入端阻抗及有功功率信息進行呈現(xiàn)。

5 典型測試結(jié)果

在整合關(guān)鍵測控裝置和軟件系統(tǒng)后，按照機械層、硬件層和軟件層3個方面將整個測控系統(tǒng)的信號生成、傳遞、流通及顯示過程如圖10所示(彩圖見期刊電子版)。圖中藍色細線代表低頻信號，綠色粗線表示高頻信號。可以看出，所構(gòu)建的測控系統(tǒng)較好地覆蓋了超聲電機性能分析所需的主要參數(shù)，測控界面也實現(xiàn)了主要參數(shù)的設(shè)置、變化及曲線顯示，展現(xiàn)出了高效的測試分析及控制能力。

圖10 超聲電機實驗裝置及其信號連接圖Fig.10 Test system and signal flowchart of ultrasonic motor

為了全面驗證測試裝置與測控方法的有效性，選取TRUM60旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機，依據(jù)圖6的特性分析流程對各項內(nèi)容進行了測試，所獲得的典型結(jié)果如圖11所示。經(jīng)過對比，本系統(tǒng)的測試效率相比商用驅(qū)動器搭建的傳統(tǒng)測試裝置提高了30%，且測試的準確性明顯提高。

圖11 超聲電機的典型特性曲線Fig.11 Curves of typical characteristics of ultrasonic motor

測試結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)可較全面實現(xiàn)對包括預(yù)壓力在內(nèi)的8項控制參數(shù)的在線精確控制能夠?qū)﹄妷弘娏鞯?3項狀態(tài)參數(shù)的實時高速檢測，也能對電機脈沖步進運動過程的瞬態(tài)特性進行精確刻畫，顯著提高了超聲電機的測試和性能評估效率。

6 結(jié) 論

超聲電機的精細化建模分析與精密控制研究有賴于高精度高效率的實驗手段。針對傳統(tǒng)測控裝置難以解決的問題，本文設(shè)計了一套超聲電機多參量高精度測控系統(tǒng)，并提出了超聲電機的性能測試流程與步進運動同步采集流程。測試結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)可全面實現(xiàn)對預(yù)壓力等8項控制參數(shù)的在線精確調(diào)控和對電壓電流等13項狀態(tài)參數(shù)的高速檢測，可對電機啟停過程的瞬態(tài)特性進行精確刻畫，實現(xiàn)了電機的多參數(shù)高精度調(diào)控，擁有較好的控制集成能力，為超聲電機非線性動力學特性研究、整機模型辨識以及高精度速度與位置控制等提供了完整的測試和驗證平臺。