超声波电机驱动电路设计及控制策略研究pdf在此背景下，体积小、响应快、精度高的超声波电机（UltrasonicMotor，USM）

　　快速响应的应用场景中，传统的PID控制策略已经难以满足这些日益严苛的需求。

　　Python环境中实现了上位机与控制单元间的通信，上位机发出控制指令，控制单元

　　完成实时控制。反馈部分包括电流采样电路、光耦隔离电路、AD转换电路以及速

　　数的时变性，设计了模糊PID控制器，分别在阶跃与正弦激励下，进行了仿真验证。

　　在此基础上应用灰狼优化算法（GreyWolfOptimizer，GWO），设计了基于灰狼算

　　法的超声波电机模糊PID控制器，使之能够自适应地调整以匹配超声波电机的动态

　　超声波电机（USM），与传统电机不同的是，其定压电陶瓷片上的机械振动能是通

　　过逆压电效应转换，这些振动能量通过定子与转子的接触摩擦进一步转换为转子的运动动

　　能。依据超声波电机的输出形式来看，超声波电机被区分为旋转型与直线型两大类。在这

　　两类中，以传输状态分，又可以分为行波型与驻波型超声波电机。而行波型旋转超声波电

　　超声波电机的优势包括无电磁干扰、无电磁噪声、低速大扭矩输出以及优异的自锁能

　　力，这些特性使其在微型机械和电机工程领域备受关注。电机性能的优化既依赖于结构设

　　计和制造工艺的进步，也密切关联于驱动控制系统的创新，后者已成研究的核心。

　　尽管超声波电机展现出显著的优势，但其作为一个多变量、强耦合的复杂系统，也面

　　临着非线性和建模难题。电机性能受多种因素影响，如负载、定转子间压力、工作温度及

　　转速变化等，给驱动控制带来挑战。相较传统电磁电机，超声波电机在驱动需求上展现

　　独特性，需工作于20kHz至100kHz频率范围内，要求驱动器具备出色的调压、调频及调

　　相功能。同时，驱动设计需考虑压电材料的容性负载特点，通过阻抗匹配电路来优化功率

　　随技术进步，超声波电机驱动控制正走向智能化、模块化及小型化。科研人员不断努

　　力提升超声波电机及其控制器性能。驱动控制技术的持续创新是推动超声波电机广泛应用

　　20世纪40年代，钛酸钡的发现为压电驱动技术奠定了基础，与其他陶瓷材料不同的

　　是其可做成任意形状和极化方向，1948年，美国科学家William与Brown基于这项技术打

　　造了第一台原型超声波电机，并成功申请了“压电马达”的专利，这标志着超声波电机研

　　进入20世纪80年代，随着材料科学和精密加工技术的进步，超声波电机的设计和性

　　能得到了显著提升。新型的驱动机制、更高效的能量转换效率以及更好的控制精度，使得

　　超声波电机在高精度定位、无声操作和微型化应用中展现出独特的优势。1982年，日本

　　学者Sashida成功开发出行波型超声波电机，其工作原理是利用压电材料的逆压电效应激

　　发定子的振动，通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子旋转，从而实现电机的连续运转。

　　这种电机具有大扭矩、低转速、响应快、无电磁干扰等特点，特别适合于需要精确控制的

　　应用场合。行波型超声波电机的成功研发，为超声波电机的商业化铺平了道路。Shinsei

　　公司作为早期的开拓者之一，专注于超声波电机技术的开发和市场推广，推动了超声波电

　　机在各种高端设备中的应用，如精密仪器、医疗设备、航空航天等领域。Canon公司在相

　　机镜头调焦系统中应用超声波电机，不仅引领了相机行业的新潮流，也将超声波电机的应

　　用推向了市场化高潮，月产能达到数十万台。超声波电机因其具有低噪音、高效率、高

　　目前，从机理研究到模型构建，再到本体设计、试验平台和驱动控制技术，超声波电

　　机的发展得到了全面加强。日本以其在全球范围内拥有最多的相关专利，将超声波电机技

　　术广泛应用于各个产业和日常生活领域。除了Shinsei和Canon公司外，Toyota公司已经

　　将超声波电机技术用于汽车方向盘操纵系统，美国国家航空航天局（NASA）也在空间机

　　器人和火星探测器系统中采用了这一技术。欧洲，如剑桥大学在实验室复杂设备中使用的

　　在医疗领域中，超声波电机的无磁、静音特性让其成为诸多医疗器械的理想动力源，

　　尤其是在MRI兼容设备、微创手术工具、高精度药物分配装置中的应用，提升了操作的

　　随着科技的进步，未来超声波电机可能还会涉足更为广阔的领域，如智能机器人、可

　　穿戴设备、微型无人机等新兴技术产业。超声波电机的发展趋势不断向着体积更小、能效

　　更高、集成度更强、成本更低的方向演进，预示着这一技术将在未来智能化社会中发挥更

　　我国对超声波电机的研究始于20世纪90年代，赵淳生教授是该领域的先驱之一。超

　　声波电机作为一种新型的微型专用电机，其工作原理和传统电机有所不同，它通过反向偶

　　极子效应和超声振动来获得动力，这一概念吸引了国内外众多学者的关注。赵淳生教授最

　　初研究的是电动式激振器，后来他加入了美国麻省理工学院的超声波电机课题组，深入研

　　究超声波电机技术。他的研究成果不仅打破了国外对电动式激振器的垄断，还为我国在超

　　声波电机领域的发展奠定了基础。赵淳生教授回国后，尽管面临启动经费不足等困难，但

　　他依然坚持研究，并成功研制出了我国第一台能实际运行的行波型超声波电机原型机。这

　　一成就标志着我国在超声波电机研究领域取得了重要的突破。所研发的TRUM超声波电

　　机，已经通过了市场的考验，极为的稳定和成熟。特别是，“嫦娥三号”月球车搭载的

　　TRUM-30A型超声波电机，在我国航天工程领域完成了卓越的首次演出。自“全国超声

　　电机技术研讨会”的顺利召开，我国在超声波电机领域的交流也开始进一步推进。尽管在

　　材料和制造工艺上遇到了挑战，中国在超声波电机研究领域还是取得了显著的成就，逐步

　　近年来，伴随科技进步和研究深化，研究人员在超声波电机驱动控制电路、建模以及

　　控制策略等领域取得了显著的进展。为超声波电机的发展提供了坚实的理论基础和技术支

　　持。例如，确定了影响环形行波型超声波电机运行效率的关键因素，并建立了相应的数学

　　模型来描述这些关系。驱动电压的大小直接影响了电机的激励强度，而驱动频率决定了定

　　子振动模态的形状和振幅，进而影响了转子的运动状态。相位差作为调节定子各相振动协

　　调性的参数，对电机运行的稳定性和效率起着重要作用。此外，电机在正转与反转的不同

　　工作频率下表现出不同的动态特性。这一发现不仅加深了对超声波电机工作原理的理解，

　　也为后续的控制策略开发提供了理论依据。1989年，K.Takahashi引入了一种创新的驱动

　　电路设计，用于超声波电机驱动，这种设计独特地加入了温度补偿功能，有效地缓解了环

　　境温度变化对超声波电机性能的不利影响，提高了电机的稳定性和可靠性。1992年，S.

　　Fumya基于对超声波电机操作特性的深入研究，设计了一种新颖的频率跟踪电路，该电路

　　能够根据负载的变化自动调整，保持电机运行的最优状态，这一设计大大提升了超声波电

　　在建模方面的研究也同样取得了进展。1993年，Kanbe提出了一种创新的Mason等效

　　电路模型，该模型能够将超声波电机的机械振动效果转换为电学振动信号，为电机的精确

　　控制和性能优化提供了新的思路。1997年，J.Mass进一步推进了建模技术的发展，提

　　出了一种基于超声波电机平均值的建模方法。这种方法简化了建模过程，同时保持了模型

　　的准确性和实用性。1998年，T.Senjyu提出了一种基于差分模型的超声波电机的识别

　　和建模方法，这种方法通过精细分析电机的动态特性，为电机的高精度控制和性能评估提

　　进入21世纪，陈波等相关研究人员通过对超声波电机的机电耦合动力系统及其建模

　　方法的综合评述，对电机的内部结构和工作原理进行了深入分析，并提出了一些数学模型

　　来描述电机的转动状态，尽管超声波电机本身的复杂性和非线性特性带来了挑战。

　　2011年，T.Chen和团队设计了一种行波型超声波电机驱动电路，能够调节驱动频率和相

　　波电机转速的闭环自适应控制。随着智能控制算法的不断发展，超声波电机控制领域出现

　　了众多新型智能控制策略。如R.J.Wai提出的遗传控制算法，以及F.J.Lin等人采用的

　　如今，超声波电机及相关产业的快速发展，驱动技术和控制方法也在持续进步中。小

　　型化集成、高电压大电流输出、驱动控制一体化，已成为超声波电机驱动与控制系统研究

　　的新热点。以及为了达到高精度和高可靠性的控制效果，研究人员正在开发更加先进的控

　　制算法。这些算法旨在精确调节电机的运行，以满足严苛的性能要求，并且适应各种动态

　　（1）当前，超声波电机领域尚缺乏一个成熟的理论体系，难以制定出一套系统化、

　　完善的设计方法。通常的做法是使用3D建模软件来设计电机结构，再通过有限元分析软

　　件模拟其性能。通过这种方式制造出原型机并进行性能测试，根据测试结果调整结构参数.

　　但是，这一过程的理论基础薄弱，造成设计周期长、成本高、效率低，难以推广至商业化

　　（2）电机的负载特性与定转子之间的接触形态和摩擦力传递密切相关，因此，发展

　　（3）超声波电机的能量转换过程涉及两个主要阶段：首先是压电陶瓷与定子之间的

　　机电转换，随后是定子和转子之间的摩擦传动。电机的性能及使用寿命在很大程度上受到

　　所选用摩擦材料的影响。当前，关于定转子间特定摩擦磨损机制的深入了解不足，以及缺

　　（4）预测电机使用寿命需要考虑到定子和转子之间的互动状态、预加载力、以及使

　　用的摩擦材料的物理性质对电机寿命的影响，研究这些因素使如何共同作用于电机的耐久

　　（5）超声波电机控制系统的优化研究。对驱动电机控制系统进行优化，可以显著提

　　升电机的控制精度和稳定性，对于提高超声波电机的整体性能至关重要。此外，驱动控制

　　系统的设计应向着高度集成化方向发展，电机结构更为紧凑，从而便于其在更多不同的应

　　研究人员已经尝试了多种方法和技术来精确控制超声波电机的运动。这些方法包括神

　　经网络、PID、逆模型等，都被用来提高电机运动控制的精度和响应速度。但因其的非线

　　性的特点，效果还有改进余地。探索符合超声波电机动作原理和各类应用需求的驱动控制

　　电路与控制策略，从而优化电机动控系统的效率与稳定性，已为超声波电机开发领域的核

　　超声波电机在一些特定应用领域已经取得了显著的进展，例如医疗成像、清洁技术和

　　1.医疗应用：超声波电机在医疗成像中发挥了重要作用，如超声波扫描仪。未来，它

　　2.清洁技术：超声波电机可以用于清洁和去除表面污垢，这在工业和家庭清洁中有广

　　3.精密控制：超声波电机的高精度运动控制特性使它们在精密仪器和设备中有用武之

　　4.自动化和机器人：在自动化领域，超声波电机可以用于各种任务，如自动装配、精

　　密搬运和定位。未来，随着自动化和机器人技术不断发展，可能会在更多应用中得到采用。

　　5.汽车工业：超声波电机可能在汽车领域用于改善传感器和驾驶辅助系统的性能，以

　　6.虚拟和增强现实：超声波电机可以用于模拟触感，改善虚拟现实和增强现实体验。

　　第一章绪论：介绍超声波电机及其驱动控制系统研究的背景、意义、国内外研究现

　　第二章超声波电机驱动及调速原理：深入探讨超声波电机的运行机理、调速原理及

　　调速方法，对比三种逆变拓扑的特点，最终选用半桥式逆变拓扑为本设计的驱动拓扑。

　　第三章超声波电机驱动控制电路设计：通过第二章对超声波电机的分析，计划了整

　　体思路，完成驱动控制系统电路的设计，包括整体设计方案、驱动部分、控制部分及反馈

　　第四章超声波电机变量化因子模糊PID控制：基于模糊PID控制原理，研究超声波

　　第五章基于灰狼算法的模糊调节器优化设计：针对第四章模糊PID控制策略复杂，

　　以及修改过程繁琐，将灰狼算法应用在模糊PID控制参数优化中，并在MATLAB中进行

　　第六章实验样机搭建及实验结果分析：介绍实验平台的搭建过程，通过Python开发

　　的上位机实现串口通信向控制器传递参数和接受反馈信息，最后实验验证所设计的驱动控

　　第七章研究总结与展望：总结整篇论文的工作，分析存在的不足，并对未来研究工

　　行波型旋转超声波电机定子部分的周向展开图如图2-1所示。该定子表面附着的压电

　　陶瓷单元，在外加电场作用下会产生形变，这些陶瓷单元经过特定极化处理，使得相邻单

　　元的极化方向交替相反。在区域A，当施加高频电压uA(t)时，紧邻的压电陶瓷单元产

　　生反向的形变，协同作用下引发了弯曲振动uA(t)。类似地，区域B在高频电压uB(t)的作

　　两个振型分别由两个频率相同、振幅相等、但传播方向相反的波形成一个驻波，当这

　　在预紧力FN的作用下，定子和转子之间形成了牢固的连接。这种独特的结构配置使

　　得定子的振动能够通过摩擦力有效地传递给转子，类似于某些小爬行动物的移动方式。定

　　子的椭圆形运动不断地对转子施加摩擦力，这一连续的作用力促使转子进行旋转。

　　由超声波电机工作原理可知，速度控制核心是控制振动幅度、频率及定子表面振点轨

　　式中k、b、k、b为线性关系式系数。稳态运行时，h、k、R、k、b、k、b及均

　　公式（2-9）阐明了驱动电压的不同参数如何影响电机的转速。很明显，转速调整有

　　三大手段：调整电压、频率和相位差。在调整电压的方法中，可以通过调整两个相位的电

　　压幅值是否相等从而分为两种情况：相等幅值调整和不等幅值调整。通过分析公式（2-

　　10），可以发现不等幅值调整会导致两个相反方向的行波以及一个驻波的生成，这种情况

　　下，一部分振动能量未能有效转换为转子的旋转能量，从而降低了效率。并且影响转速的

　　稳定性。通过深入分析各个参数之间的相互作用，可以看到，通过调整电压和频率主要是

　　通过改变幅值来实现速度的调整（见公式2-12），而通过调整相位差则是改变它们彼此之

　　间的相互作用（见公式2-13）。因此，在调整过程中，调整电压和频率主要关注于定子的

　　超声波电机是一种新型的电机，它利用超声波的振动来产生驱动力，具有结构简单、

　　体积小、重量轻、效率高、噪声低等特点，在实际应用中，超声波电机的转速需要根据不

　　同的工作要求进行调节，因此超声波电机的调速方法是一个重要的研究课题。超声波电机

　　直接利用了超声波电机的基本工作原理，即通过变化驱动电压来调节定子的振动强度

　　及其运动路径。在实际操作中，通常偏好采用等幅电压调整。虽然这种方法简便易行、应

　　频率调整方式通过改变激励频率来影响超声波电机的速度，依托于电机固有的共振模

　　式。这种控制策略能够在接近电机共振频率时优化其运行效率。但鉴于电机速度与工作频

　　率之间往往呈现出非线性关联，必须精确预测电机在各种频率条件下的表现，这一过程既

　　通过调整相位差，可以实现电机速度的精确调节，特别是在进行微小调速或精细位置

　　控制时，相位调节是比较合适的。但其相比于频率和电压调节，相位控制的实现更为复杂，

　　其速度与相位关系是非线性的，需要精确的电子控制系统，保证各相之间的精确同步。

　　半桥式、全桥式和三相桥式逆变拓扑是最为常见的三种结构。这些拓扑结构各自具有

　　不同的特点和应用场景。其中三相桥式逆变器通常采用带中心抽头的变压器来完成其输出

　　任务，旨在平衡电压并提供电气隔离。而半桥式和全桥式逆变器则提供了更多的灵活性，

　　在追求集成化设计中，通常希望减小驱动器尺寸和避免因变压器漏感导致的匹配问题，

　　半桥逆变式拓扑的电路结构如图2-3所示。每个单元由两个开关管组成，总共需要四

　　个开关管来驱动。两组电容可以共享，以达到分压目的。每个半桥单元独立控制，轻松调

　　调整半桥逆变器的输出电压可以通过改变开关管的导通时间来实现。如图2-4所示，

　　输出电压波形的对称点标记清晰。在对称点间隔半个周期的情况下，可以通过对这段时间

　　在全桥式逆变器配置中，图2-6揭示了两个全桥单元的布局，驱动共需要八个晶体管。

　　每个全桥单元都由四个晶体管组成，按照特定的方式连接在一起，形成一个完整的桥臂。

　　因此，两个全桥单元共有八个晶体管，为了实现两个相位的独立控制，电路设计中必须包

　　含隔离部分。这种全桥设置相比于半桥式逆变器相比，全桥式逆变器的输出电压幅值翻倍。

　　这是因为全桥式逆变器的每个桥臂都可以输出正电压或负电压，而半桥逆变器只有一个桥

　　臂可以输出正电压，另一个桥臂只能输出负电压。因此，全桥式逆变器的输出电压范围更

　　广，其输出电压的幅值翻倍，但相应地，电路的复杂度有所增加并且增加了控制难度。全

　　图2-7所示的是四个开关管同时关闭的情况。这一状态下的输出电压容易受到负载变

　　化影响而产生波动，对于此现象，可以采用移相控制方法。如图2-8所示，通过精确控制

　　三相桥式配置，通常应用于三相交流电机的驱动。通过设计的脉宽调制（PWM）控

　　制逻辑，六个开关管的三相桥不仅能够为三相电机提供驱动，还能够调整以输出两个相位

　　间具有特定相位差的驱动电压。这种能力使得三相桥配置能够灵活适用于各种电机驱动需

　　求，包括那些需要精确控制相位差以实现特定动态性能的应用场景。其具体的电路布局如

　　图2-9中左桥臂由S1、S2控制，中点接超声波电机A相；中桥臂由S3、S4控制，

　　在调节开关管的导通角时，两相输出电压的相位差保持在90度固定不变，而输出电

　　压波形则经历变化。当导通角小于90度时，存在三种不同的输出状态；当导通角大于90

　　度时，存在五种不同的输出状态；当导通角恰好等于90度时，输出状态减少至两种。与

　　此同时，两相输出电压的有效值、基波幅值以及高次谐波幅值都会相应地发生变化。

　　通过比较三种逆变拓扑——半桥式、全桥式和三相桥式，可以发现三种逆变拓扑在总

　　谐波因数上遵循相同的变化趋势，特别是在开关管的导通角度设置在100度至150度范围

　　该章节对超声波电机的运行机理以及调速原理进行介绍，然后通过对半桥式、全桥式

　　以及三相桥式逆变拓扑在超声波电机驱动应用中的输出特性进行了比较和分析，从而证明

　　了采用半桥式逆变拓扑来驱动双相超声波电机的实用性。与全桥式和三相桥式逆变相比，

　　超声波电机驱动控制系统通过上位机接收电机的输入电压、电流相位和运转速度，从

　　而调整频率和振幅。该方案具有电路简单、电机转速稳定、调试方便、功耗小等优点。

　　如图3-1所示，系统分为驱动模块、控制模块、反馈模块三个模块。其中驱动部分通

　　过第二章的分析，在本章设计中，驱动模块选用半桥式逆变拓扑结构，负责接收控制器发

　　送的PWM信号。由上位机发出信号，控制器计算频率和占空比给桥式电路驱动芯片。反

　　馈模块主要包含光耦隔离、AD转换、速度采样等功能，分别采集超声波电机数据并反馈

　　为了给驱动芯片的自举电容进行充电，电源模块为15V的直流供电。接收到来自控制

　　器的PWM指令后，驱动芯片随即向MOSFET发出驱动信号。自举电容一旦充满电，便能

　　确保HO端至OUTA端之间的电位差UGS不低于12.5V，这电压级别足以使MOSFET持续

　　处于导通状态。为了防止尖峰电压可能导致的过压击穿现象，snubber缓冲电路被加入

　　驱动电路，基于MCU构建，不仅满足了对超声波电机激励信号的基本要求，还显著

　　节约了资源。本研究中引入SPC1158芯片作为信号发生单元的核心控制器，实现了对激

　　励信号输出的精细调控，确保了设计的有效实施。SPC1158是一款基于32位ARMCortex-

　　M4内核的MCU，内置12通道PWM，16通道14位ADC和3路带比较器的可编程增益

　　SPC1158器件是一颗内置开关电源的高度集成的片上系统（SoC）微控制器。

　　路可编程增益运放，6个增强型PWM模块，3个通用32位定时器以及UART，I2C，SPI

　　图3-3为SPC1158芯片的功能框图。在本文中，SPC1158采用外部8MHZ晶振，供电

　　控制单元的核心是由微控制单元（MCU）和数字模拟转换器（D/A）芯片构成，如

　　结构示意图3-4所展示。在这个系统中，SPC1158型号的MCU负责处理数据和通信，通

　　在高电压或需要电气隔离的场合，电流不方便直接测量。可以通过电流传感器将电流

　　通过传感器周围磁场的变化来间接测量电流，提供电气隔离，适用于高电压环境，不

　　通过次级绕组产生的电压信号来间接测量主绕组的电流。能够处理高电流，提供良好

　　的隔离。但尺寸较大，有磁饱和的可能性，从而影响精度，并且不适用于高频电路，

　　测量通过电阻的电压降来计算经过的电流（欧姆定律），简单、成本低。但有功率损

　　考虑到超声波电机有隔离需求，且强调高度集成化。所以选择霍尔效应电流传感器进

　　行电流测量，针对于超声波电机工作电流较低的特点，在选择芯片时，特别偏好于那些设

　　计有较低最大工作电流限制和更高转换精度的传感器，以确保测量结果的准确性和可靠性。

　　综合成本与精度等多个因素进行考量。最终选择ALLEGRO公司生产的ACS723LLCTR-

　　05AB-T电流霍尔芯片，该芯片最大工作电流为5A，转换精度为400mV/A[36]。其电路原

　　隔离信号的方法多样，其中包括利用光耦和继电器等手段进行隔离。在该设计方案里，

　　采取了光耦隔离技术来确保强电与弱点之间的有效隔离，其详细电路布局展示在图3-6中。

　　选择HCNR201型号的光耦隔离芯片作为核心隔离组件，因其传输的线性度高且隔离性能

　　AD转换模块将采样电路收集的峰值电压信息，通过AD转换模块转化成数字信号，

　　随后被传送至MCU控制单元。选用ADS1100芯片来执行模数转换（AD转换）任务，这

　　本课题中在此研究中，所采用的超声波电机内置了增量式编码器，完全符合项目的技

　　术需求。然而，编码器的工作电压为5V，因此在连接至MCU之前，必须先进行电平的隔

　　离与转换。为此，选择SN74CB3T3125PWR作为电平转换器，该器件通过其四个独立的

　　路原理图如图3-8所示。在本项目的设计框架下，由于不涉及到通道切换的需求，因此简

　　本章针对的超声波电机驱动控制系统在硬件构成上从三大核心模块出发进行设计。驱

　　动部分接收PWM信号后经半桥式逆变电路后作用于超声波电机。控制环节由PC端和

　　MCU控制器共同承担，其中PC机作为上位机通过串口实现与超声波电机控制板进行通

　　信，完成人机交互的功能，实现对超声波电机运行控制及数据的实时监控。测量部分涵盖

　　了电流与转速的监测功能。电流监测部分嵌入在驱动板中，采用电流传感器实时监控电流

　　变化，数据经由串口直接上报至MCU控制单元，从而确保了电流信息的准确反馈和测量。

　　转速检测则依赖于MCU内的计数器模块，准确获取电机的速度信息，为系统的稳定运行

　　PID控制法，作为最早开发和应用成熟的控制策略之一，因其易于理解、调整和实施

　　的优势，在工业制造领域获得广泛应用。此方法作为线性控制策略，针对超声波电机

　　这类具有显著非线性特征及动态变化模型参数的设备，通过调整PID参数实现对电机的有

　　效实时控制成为可能。实践和实验调整显示，对于超声波电机而言，PI控制已足以满足其

　　控制需求，故出于简化处理流程的目的，选择应用PI控制。在本章内容中，针对超声

　　波电机操作中的一个特定转速，通过仿真研究了采用固定参数的PI控制器对其控制策略

　　的效果。这一过程旨在深入理解PI参数调整如何影响控制结果的具体规律，从而为后续

　　针对超声波电机的控制问题，可以通过不同的模型来进行分析和设计，包括理论模型、

　　基于神经网络的模型以及辨识模型。在仔细评估了各种模型的特点以及它们与选用的控制

　　策略之间的兼容性后，本研究决定采用辨识模型中的频率-转速关系作为主要的研究方向。

　　此辨识模型通过其传递函数来描述，从而为研究提供了一个明确的数学表达形式：

　　可以通过实验数据获得；而（阻尼系数）和（自然频率）则是模型中需要通过辨识确

　　通过特征点法对实验中测量的频率和转速数据进行分析，我们能够识别出超声波电机

　　在不同转速条件下的模型参数，表4-1展示了几组数据参数。该分析采用了将频率视作输

　　入信号、而将电机的转速视为输出信号的方法。通过捕捉电机在开环控制状态下对阶跃输

　　入的响应数据，进一步利用特征点法对模型的参数进行识别。可以明显看出电机对于各种

　　不同频率输入的反应并不一致，这一现象清楚地揭示了超声波电机的非线性特征以及其随

　　n为超声波电机的转速，在这里取超声波电机模型参数K=0.8、0.013。

　　在自动控制领域，PID控制策略占据着核心地位，控制系统的基本构成包括PID控制

　　速作出反应，有效减小误差幅度。其中，比例系数是控制系统响应速度和精度调节的

　　核心。随着值的提高，系统的反应会更加迅速，精度也随之提高；然而，过高的值

　　可能引起超调和振荡，甚至有可能使系统变得不稳定。相反，较低的值会使得响应变

　　慢，精度下降，但会提高系统的动态表现和稳定性。积分控制环节（I）的主要作用是消

　　除长期累积的稳态误差，增强系统的稳态性能。随着积分系数的增大，系统对于稳态

　　误差的消除速度加快。但是，如果过高，可能在系统刚开始响应时造成积分饱和，进而

　　引发较大的超调。相反，如果过低，则系统可能无法有效地根除稳态误差，影响整体精

　　通过分析仿真结果，发现尽管系统没有发生超调，但其响应速度显示出缓慢的特征，

　　表现为延长的上升时间和缓慢达到稳态，据此，采用了一种迭代调整法对PI控制参数进

　　行优化，包括：固定比例系数不变，逐步调整积分系数，记录系统的反应；在保持

　　固定的条件下调整，以此方法探索两者对系统动态性能的具体影响，并确定能达到

　　最佳系统响应的参数范围。图4-3展示了在调整时系统阶跃响应的变化轨迹，而图4-4

　　揭示了调整对系统反应的影响。对比分析的得出，单独的比例控制无法解决系统的稳

　　速地达到稳态。然而，过高的值也容易引发超调和系统振荡，影响系统的稳定运行。

　　同样，增加比例系数能够加速系统起始阶段的响应，但对于稳态速度的提升作用有限，

　　因此，在PI参数调整过程中，本研究采取了一种细致的调整策略，先确定至临界

　　追求最佳的系统响应。经过一系列的实验和调整，最终确定KP0.08和KI18.54为最佳

　　参数设置。该设置在保证系统快速响应的同时，实现了0.7787%的低超调量和良好的稳态

　　在本研究中，对超声波电机在转速变化下的PI控制参数适用性进行了深入分析。通

　　和控制效果。实验结果揭示，尽管这一组参数在18.5r/min至46.9r/min的转速范围内展现

　　出相对稳定的控制效果，但在62.8r/min的高速条件下，系统响应出现了显著的震荡，指

　　示出控制性能的明显下降。实验结果表明，虽然这些参数在37.1r/min附近的转速范围内

　　能够提供稳定的控制效果，但其控制性能在远离该设计点的高速条件下，特别是在高于

　　60r/min时，表现出显著的性能衰退，体现为响应的震荡加剧。这一现象凸显了当超声波

　　电机作为被控对象时，由于其固有的强非线性特征和参数时变性，传统的PID控制策略，

　　即便基于精确的模型设计，其控制性能也可能无法在全转速范围内达到预期效果。因此，

　　为了应对超声波电机参数的实时变化，引入模糊PI控制方法，通过模糊调节器在线实时

　　参数整定在超声波电机转速控制系统设计中是一项关键而复杂的任务。虽然寻找最适

　　合的参数设置可能需要耗费大量时间和精力，但对于满足工程实际应用的基本要求而言，

　　找到能达到应用标准的参数组合即可视为成功。在参数调整过程中，对于超声波电机转速

　　分系数有助于更快地消除系统的静态误差（静差），从而缩短系统的上升时间。但太高

　　（2）如果系统的启动时间过长，表明响应速度不足，此时应增加和以改善性能。

　　模糊控制的理念是从人们的感觉中抽象出来的，它把人们在实际操作中积累的知识用

　　于指导复杂系统的控制过程。这种控制策略是通过将实践经验总结、形式化，并用模糊的

　　2.此理论利用了模糊概念，类似于“大”、“小”这些形容，通过模糊规则推导的控

　　3.模糊控制的接受度高，它借鉴人类的思维模式，而且其核心—模糊规则，使用模糊

　　在本研究中，我们设计了两种模糊调节器，分别为模糊P和模糊I，它们各自负责调

　　整PI控制器中的参数和。这两个调节器接受的输入变量是控制误差()及其变化率

　　些实际取值范围经过量化处理后，被映射到[-1,1]的模糊论域中。因此，为了将转速误差

　　超声波电机误差的变化率ec等于当前时刻的误差减去前一时刻的误差，所以误差变

　　根据以上分析及公式（4-10）和公式（4-11）可知，K=K都为最大转速的倒数。

　　在本设计的模糊调节器中，输入和输出变量的隶属度函数采用了普遍应用的三角形隶

　　“村改居”社区空巢老人社会交往能力提升的小组工作介入研究——以长春市DF社区为例.pdf

　　“结构—过程”分析视角下市级数字政府建设研究--以河北省承德市为例.pdf

　　浙江省温州市2024-2025学年七年级上学期语文期末考查卷.docx

　　精品解析：北京市建华实验学校2024-2025学年七年级下学期期中英语试题（原卷版）.docx

　　精品解析：北京市通州区2024-2025学年七年级下学期期末考试英语试卷（原卷版）.docx

　　精品解析：北京市回民学校2024-2025学年九年级上学期期中语文试题（解析版）.docx

　　精品解析：北京市海淀区2025-2026学年九年级上学期期末语文试题（解析版）.docx

　　精品解析：北京市东城区汇文中学2025-2026学年八年级上学期期中语文试题（原卷版）.docx

　　精品解析：北京市回民学校2024-2025学年九年级上学期期中语文试题（原卷版）.docx

　　精品解析：2024-2025学年广东省广州市从化区街口镇中心小学人教版五年级上册期中测试数学试卷（解析版）.docx

　　精品解析：北京市通州区2024-2025学年七年级下学期期末考试英语试卷（解析版）.docx

　　精品解析：北京市建华实验学校2024-2025学年七年级下学期期中英语试题（解析版）.docx

　　《溴代反应（生产溴化聚苯乙烯和四溴苯酐）副产溴化钠》-全文及说明.pdf

　　SAE J514-3-2023 Metallic Connections for Fluid Power and General Use - Part 3： NPTF Pipe Adapters and NPSM Adapter Unions 流体动力和一般用途金属连接. 第3部分: NPTF 管适配器和 NPSM 适配器联接.pdf

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者