CN118041122B - 一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品，涉及电机控制技术领域。其中，所述方法包括：在启动阶段，基于超声电机的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于第一驱动参数生成超声电机的驱动信号；在运行阶段，至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数，基于超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数，基于第二驱动参数和运行阶段补偿参数生成超声电机的驱动信号；在整定阶段，基于参考位置信息以及负载的测量位置信息确定第三驱动参数，基于超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数，基于第三驱动参数以及整定阶段补偿参数生成超声电机的驱动信号。

Description

一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品

技术领域

本说明书涉及电机控制技术领域，特别涉及一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品。

背景技术

随着科技水平不断地提升和发展，很多高精尖领域对精密运动台有着广泛的需求。超声电机是近四十年来发展起来的微特电机，其具有结构紧凑、响应速度快、不受电磁干扰、断电自锁等优点。相应地，由超声电机驱动的运动台具有运行平稳、响应快速、定位精准、静态抖动小等优势。

在实际的工程应用场景中，为了提高产率，需要运动台运行平稳，定位精准且快速。然而，由于超声电机压电元件遵循椭圆运动和齿面结构的原因，会导致全行程导轨摩擦力不均匀，且同一位置正负运动方向摩擦力不相同，进而使得运动台轨迹难以高精度地跟踪预设的轨迹规划。并且，在整定阶段（运动台即将到达目标位置，至运动结束的过程）会出现爬行现象，导致调节时间大幅增加。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品，用于解决现有技术中超声电机难以高精度地跟踪轨迹规划，以及在整定阶段出现爬行现象导致调节时间过长的问题。本说明书一些实施例旨在提供一种更加精准、快速的超声电机控制方法及***。

具体而言，本说明书一个或多个实施例提供了一种超声电机的控制方法，该方法包括：在启动阶段：基于所述超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号；在运行阶段：至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号；在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

在一些实施例中，所述超声电机包括定子和动子，所述负载设置于所述动子处，所述负载包括运动台。

在一些实施例中，所述方法还包括：基于目标条件进行轨迹规划，得到所述负载在一个以上时间点对应的参考位置信息，其中，所述目标条件包括目标位置、目标速度和目标加速度。

在一些实施例中，所述第一摩擦力数据包括最大静摩擦力或基于所述负载的当前速度信息，通过斯特里贝克摩擦力模型计算得到的摩擦力数据。

在一些实施例中，所述至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数，包括：基于所述参考位置信息、所述测量位置信息以及所述负载的当前速度信息确定第二驱动参数。

在一些实施例中，所述基于所述参考位置信息、所述测量位置信息以及所述负载的当前速度信息确定第二驱动参数，包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，以通过位置环PID算法得到位置环输出数据；将所述位置环输出数据与所述当前速度信息的差值输入速度环控制器，以通过速度环PID算法得到速度环输出数据，将所述速度环输出数据作为所述第二驱动参数。

在一些实施例中，所述基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数，包括：计算所述负载的当前速度信息以及粘性摩擦力系数的乘积，得到第二摩擦力数据，将所述第二摩擦力数据作为所述运行阶段补偿参数。

在一些实施例中，所述基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数，包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，通过位置环PID算法得到位置环输出数据，将所述位置环输出数据作为所述第三驱动参数。

在一些实施例中，所述基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数，包括：基于所述负载的当前速度信息，通过斯特里贝克摩擦力模型计算得到所述第三摩擦力数据；将所述第三摩擦力数据的k倍作为所述整定阶段补偿参数，其中，0.6≤k≤0.8。

在一些实施例中，所述负载的测量位置信息通过位移传感器采集得到，所述方法还包括：在所述启动阶段：获取所述位移传感器的采样周期数，当所述采样周期数达到m时切换到所述运行阶段，其中，10≤m≤20。

在一些实施例中，所述方法还包括：在所述运行阶段：当所述负载的测量位置与目标位置的差值小于预设稳态误差窗的c倍时，切换到所述整定阶段，其中，50≤c≤100。

在一些实施例中，所述方法还包括：在所述整定阶段：当所述负载的测量位置与所述目标位置的差值在所述预设稳态误差窗内，且维持n个以上所述采样周期时，判定所述负载被运送到位，其中，10≤n≤20。

本说明书一个或多个实施例还提供一种超声电机的控制***，该***包括：第一控制模块，用于在启动阶段：基于所述超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号；第二控制模块，用于在运行阶段：至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号；第三控制模块，用于在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

本说明书一个或多个实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令中的至少部分被处理器执行时实现如上任意一项所述的方法。

本说明书一个或多个实施例还提供一种超声电机的控制装置，包括处理器以及存储介质，所述存储介质存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述计算机指令中的至少部分以实现如上任意一项所述的方法。

本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：（1）在启动阶段基于超声电机的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，然后基于该第一驱动参数生成超声电机的驱动信号，可以提高超声电机在启动阶段的启动速度，缩短***调节时间；（2）在运动阶段通过位置速度双环PID计算来确定超声电机的第二驱动参数，基于超声电机的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数，然后基于第二驱动参数和运行阶段补偿参数生成超声电机的驱动信号，可以同时在速度和位置两个方面更好地跟踪规划轨迹，并降低摩擦力对PID控制产生的干扰，从而提高超声电机的控制精度；（3）在整定阶段基于负载的第三摩擦力数据对第三驱动参数进行补偿，可以消除摩擦力对负载运动的干扰，从而避免负载在整定阶段由于摩擦力而出现爬行现象，使得负载能够快速整定到位，进一步缩短***的调节时间；（4）通过在负载的测量位置与目标位置的差值处于预设稳态误差窗内，且维持数据测量装置的10~20个采样周期时将驱动器输出的驱动参数置零，可以更精准地确保负载运动至目标位置。需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效果。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。附图中相同的编号表示相同的结构或步骤。

图1是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制***的应用场景示意图。

图2是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制***的模块示意图。

图3是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制方法的示例性流程图。

图4是根据本说明书一些实施例所示的启动阶段的示例性控制流程图。

图5是根据本说明书一些实施例所示的运行阶段的示例性控制流程图。

图6是根据本说明书一些实施例所示的整定阶段的示例性控制流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将结合附图对实施例进行详细介绍。显而易见地，下面描述的内容是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些技术内容将本说明书披露的技术方案或手段应用于其它情景。

应当理解，本说明书使用的“***”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

在无特别说明的情况下，本说明书中描述组件、元件等的技术术语并非特指单数，也可包括复数。一般说来， “包括”、“包含”等术语仅提示包括已明确标识的步骤、元素或组件，而这些步骤、元素和组件不构成排它性的罗列，如所描述的方法或者设备也可能包含其它的步骤或组件。

本说明书中使用了流程图用来说明相关实施例的装置或***所执行的操作步骤，但在无特别说明的情况下，描述这些步骤时所采用的顺序不应被理解为对步骤执行顺序的限制。本领域的普通技术人员可以根据本说明书实施例所传达的知识信息对这些步骤的执行顺序进行调整，所述调整包括但不限于先后关系的对调、多个步骤的合并以及某步骤的拆分。

超声电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的电机，其具有结构紧凑、响应速度快、不受电磁干扰、断电自锁等优点。通过超声电机驱动的运动台具有运行平稳、响应快速，定位精准，静态抖动小等优势，因此，超声电机的应用领域非常广泛，包括精密仪器、医疗设备、汽车、航空航天等高精尖领域。

具体而言，超声电机包括定子和动子两个部分，其中，定子部分包括压电陶瓷元件，对压电陶瓷元件施加电压后会产生逆压电效应发生形变。通过对压电陶瓷元件施加相位差为九十度的等幅同频交变电压，压电陶瓷元件可以被激发出两相幅值相等、在时间和空间正交的驻波响应。该两组驻波在定子上合成，叠加形成行波。动子与定子连接或接触，通过摩擦力将行波的能量转换为机械运动。在前述行波形成后，定子上的点（或称为质点）遵循椭圆运动轨迹。以图1所示的超声电机150作为示例，定子151可以具有一个以上的齿1511，动子152上则安装有摩擦条，具体可以是动子152的下表面上安装有摩擦条，同时动子152与运动台（图中未示出）固定连接，定子151的齿1511与动子152上的摩擦条接触。在一定的预压力（如动子自身的重力或者动子及其上的负载的重力，其中，负载可以为工作台）作用下，定子的齿与动子摩擦条之间产生摩擦力，由于定子上的齿也遵循椭圆运动轨迹，进而推动动子沿行波方向相反的方向直线运动，进一步的，动子带动运动台产生直线运动。

在实际的工程应用场景中，为了提高产率，通常需要运动台运行平稳，定位精准且快速。然而，由于超声电机压电元件遵循椭圆运动和齿面结构的原因，会导致全行程导轨摩擦力不均匀，且同一位置正负运动方向摩擦力不相同，进而使得运动台轨迹难以高精度地跟踪预设的轨迹规划。并且，在整定阶段（运动台即将到达目标位置，至运动结束的过程）会出现爬行现象（由于静摩擦力造成的走走停停的现象），导致调节时间大幅增加。

为此，本说明书一些实施例提出了一种超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品，通过三段式控制方法，在启动阶段加入摩擦力补偿以克服静摩擦力；在运行阶段基于对应的摩擦力数据确定运行阶段补偿参数以保证速度和位置的跟踪精度；在整定阶段切换位置环PID加摩擦力补偿以避免爬行现象，降低***PID调节时间。通过本说明书一些实施例提供的超声电机的控制方法，可以解决超声电机在驱动运动台时跟踪精度低，调节时间长的问题。下面结合附图对本说明书一些实施例提供的超声电机的控制方法、***、装置及计算机程序产品进行详细说明。

图1是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制***的示例性应用场景示意图。

参照图1，在一些实施例中，超声电机的控制***的应用场景100可以包括数据测量装置110、存储设备120、驱动器130、计算设备140、超声电机150以及网络160。应用场景100中的各个部件可以以多种方式相连接。例如，数据测量装置110可以与存储设备120和/或计算设备140通过网络160连接，也可以与存储设备120和/或计算设备140直接连接。又例如，计算设备140可以与驱动器130直接连接或通过网络160连接。又例如，计算设备140可以与存储设备120和/或驱动器130通过网络160连接，也可以与存储设备120和/或驱动器130直接连接。

数据测量装置110可以用于采集超声电机和/或负载在运动过程中的运动参数，例如位置信息、速度信息等。在一些实施例中，数据测量装置110可以包括位移传感器、速度传感器等，该位移传感器和/或速度传感器可以设置在负载上，以用于采集负载的位置信息和/或速度信息。其中，负载可以包括运动台，该运动台可以设置在超声电机的动子处，从而在动子的驱动下产生运动。需要说明的是，在本说明书实施例中，该运动台可以为任意形状的结构，其可以应用于各种各样的精密加工场景，本说明书中不对其具体形状进行限定。

在一些实施例中，该数据测量装置110可以按照设定的数据采样周期对超声电机和/或负载进行数据采集（例如，每隔0.5ms采集一次）。需要说明的是，以上数据采样周期仅为示例性说明，在本说明书实施例中，该数据采样周期可以为其他数值，例如，在一些其他实施例中，该数据采样周期可以为0.3ms、0.2ms、0.8ms、1ms、2ms等。在一些实施例中，数据测量装置110可以具有独立的电源，其可以通过有线或无线（例如蓝牙、WiFi等）的方式将采集的数据（例如位置信息和/或速度信息）发送给应用场景100中的其他部件（例如，存储设备120、驱动器130、计算设备140）。

在一些实施例中，数据测量装置110可以通过网络160将其采集的数据发送至存储设备120、驱动器130、计算设备140等。在一些实施例中，可以通过计算设备140对数据测量装置110所采集的数据进行处理。例如，计算设备140可以基于该数据和预先生成的规划轨迹对超声电机的驱动参数进行计算或调节。

网络160可以促进信息和/或数据的交换。网络160可以包括能够促进应用场景100的信息和/或数据交换的任何合适的网络。在一些实施例中，应用场景100的至少一个组件（例如，数据测量装置110、存储设备120、驱动器130、计算设备140）可以通过网络160与应用场景100中至少一个其他组件交换信息和/或数据。例如，计算设备140可以通过网络160从数据测量装置110和/或存储设备120获得针对超声电机或负载采集的数据。

在一些实施例中，网络160可以为任意形式的有线或无线网络，或其任意组合。仅作为示例，网络160可以包括缆线网络、有线网络、光纤网络、远程通信网络、内部网络、互联网、局域网络（LAN）、广域网络（WAN）、无线局域网络（WLAN）、蓝牙网络、ZigBee网络、近场通讯（NFC）网络等或其任意组合。在一些实施例中，网络160可以包括至少一个网络接入点，应用场景100的至少一个组件可以通过接入点连接到网络160以交换数据和/或信息。

存储设备120可以储存数据、指令和/或任何其他信息。在一些实施例中，存储设备120可以存储从数据测量装置110、驱动器130和/或计算设备140获得的数据。例如，存储设备120可以存储数据测量装置110采集的位置信息、速度信息等数据；又例如，存储设备120可以存储计算设备140计算得到的补偿参数（例如运行阶段补偿参数、整定阶段补偿参数）和驱动参数（例如第一驱动参数、第二驱动参数和第三驱动参数）等；又例如，存储设备120还可以存储通过预先调试、标定得到的数据。在一些实施例中，存储设备120可以存储计算设备140用来执行或使用来完成本说明书中描述的示例性方法的数据和/或指令。在一些实施例中，存储设备120可以包括大容量存储器、可移动存储器、易失性读写存储器、只读存储器（ROM）等或其任意组合。示例性的大容量存储器可以包括磁盘、光盘、固态磁盘等。在一些实施例中，存储设备120可以在云平台上实现。仅作为示例，所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、内部云、多层云等或其任意组合。

在一些实施例中，存储设备120可以连接到网络160以与应用场景100中的至少一个其他组件（例如，数据测量装置110、驱动器130、计算设备140）通信。应用场景100中的至少一个组件可以通过网络160访问存储设备120中存储的数据、指令或其他信息。在一些实施例中，存储设备120可以与应用场景100中的一个或以上组件（例如，数据测量装置110、计算设备140）直接连接或通信。在一些实施例中，存储设备120可以是数据测量装置110和/或计算设备140的一部分。

驱动器130是一种用于控制超声电机150运行的设备，其可以将计算设备140的输出数据转换为驱动信号，如电流、电压等信号，实现对超声电机150的启动、制动、调速和保护等功能。

计算设备140可以理解为一个处理装置，其可以处理从数据测量装置110、存储设备120、驱动器130和/或应用场景100的其他组件获得数据和/或信息。在一些实施例中，计算设备140可以从数据测量装置110、存储设备120或驱动器130中任意一个或多个获得数据，通过对该数据进行处理以生成超声电机的驱动信号。在一些实施例中，计算设备140可以从存储设备120获取预先存储的计算机指令，并执行该计算机指令以实现本说明书所描述的超声电机的控制方法。具体而言，即计算设备140可以基于数据测量装置110测量的数据计算驱动参数和/或补偿参数，然后输出给驱动器130，驱动器130可以基于该驱动参数、补偿参数或该驱动参数与补偿参数的叠加结果生成驱动信号，进一步地，该驱动信号可以输出到超声电机150，进而驱动该超声电机150运动。

在一些实施例中，计算设备140可以是本地或远程的。例如，计算设备140可以通过网络160从数据测量装置110、存储设备120和/或驱动器130访问信息和/或数据。又例如，计算设备140可以直接连接到数据测量装置110、存储设备120和/或驱动器130以访问信息和/或数据。在一些实施例中，计算设备140可以在云平台上实现。例如，云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、云间云、多云等或其任意组合。

应当注意的是，上述有关应用场景100的描述仅仅是为了示例和说明，而不限定本说明书的适用范围。对于本领域技术人员来说，在本说明书的指导下可以对应用场景100进行各种修正和改变。然而，这些修正和改变仍在本说明书的范围之内。例如，数据测量装置110可以包括更多或更少的功能组件。又例如，计算设备140与驱动器130可以集成在一起。

图2是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制***的模块示意图。在一些实施例中，图2所示的超声电机的控制***200可以以软件和/或硬件的方式应用到图1所示的应用场景100，例如，可以以软件和/或硬件的形式配置到驱动器130和/或计算设备140，以用于对数据测量装置110所采集的数据进行处理，并基于该数据生成超声电机的驱动信号。

参照图2，在一些实施例中，超声电机的控制***200可以包括第一控制模块210、第二控制模块220以及第三控制模块230。

第一控制模块210可以用于在启动阶段：基于超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号。

第二控制模块220可以用于在运行阶段：至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

第三控制模块230可以用于在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

关于上述各个模块的更多细节可以参照本说明书的其他位置（例如图3~图6部分及其相关描述），此处不再赘述。应当理解，图2所示的超声电机的控制***200及其模块可以利用各种方式来实现。例如，在一些实施例中，***及其模块可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。其中，硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分则可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域技术人员可以理解上述的方法和***可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器（固件）的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本说明书的***及其模块不仅可以有诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用例如由各种类型的处理器所执行的软件实现，还可以由上述硬件电路和软件的结合（例如，固件）来实现。

需要注意的是，上述关于超声电机的控制***200及其模块的描述，仅为描述方便，并不能把本说明书限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该***的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对各个模块进行任意组合，以形成子***与其他模块连接。或者对某些模块进行拆分，得到更多的模块或者该模块下的多个单元。诸如此类的变形，均在本说明书披露的范围之内。

图3是根据本说明书一些实施例所示的超声电机的控制方法的示例性流程图。在一些实施例中，方法300可以通过处理逻辑来执行，该处理逻辑可以包括硬件（例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等）、软件（运行在处理设备上以执行硬件模拟的指令）等或其任意组合。在一些实施例中，图3所示的超声电机的控制方法300的流程图中的一个或多个操作可以通过图1所示的驱动器130和/或计算设备140实现。例如，方法300可以以指令的形式存储在存储设备120中，并由驱动器130和/或计算设备140调用和/或执行。又或者，方法300可以由部署于驱动器130和/或计算设备140中的控制***200实现。下文主要以计算设备140为例描述方法300的执行过程。

参照图3，在一些实施例中，超声电机的控制方法300可以包括以下步骤。

步骤310，在启动阶段：基于超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号。在一些实施例中，步骤310可以由第一控制模块210执行。

超声电机的启动阶段可以理解为超声电机从静止状态转换到运动状态的阶段。在一些实施例中，可以使用PID控制器来调节超声电机在启动阶段的驱动参数。具体而言，可以基于目标条件（例如目标位置、目标速度和目标加速度等）先进行轨迹规划，得到负载在一个以上时间点对应的参考位置信息，然后实际运动与轨迹规划所得到的参考位置信息之间的时间误差和位置误差进行计算，从而基于计算结果对超声电机的驱动参数进行调节。

但是，由于超声电机在启动阶段需要克服最大静摩擦力才能从静止状态转换到运动状态，而PID控制器在驱动参数调节过程中需要一个相对较为漫长的误差累积过程才能将超声电机的驱动参数调整到能够克服该最大静摩擦力的临界点，因此，在超声电机的启动阶段可能会存在启动较慢的问题。

在一些实施例中，为了提高超声电机在启动阶段的启动速度，可以基于超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，然后基于该第一驱动参数生成超声电机的驱动信号。其中，第一摩擦力数据包括最大静摩擦力，该最大静摩擦力是指整个***对应的最大静摩擦力，其在数值上等于使得动子（含与动子连接的负载）相对于定子产生相对运动的最小作用力。在一些实施例中，该最大静摩擦力可以通过测试标定得到。

在通过测试标定得到该第一摩擦力数据之后，可以将该第一摩擦力数据输入至计算设备140，计算设备140可以基于该第一摩擦力数据确定超声电机在启动阶段的第一驱动参数。在一些实施例中，计算设备140可以通过预先配置的数据映射关系和/或计算模型对该第一摩擦力数据进行处理，从而得到对应的第一驱动参数。

需要说明的是，前述第一驱动参数可以包括驱动电压参数和/或驱动电流参数。仅作为示例，在一些实施例中，该第一驱动参数可以为电压幅值。在得到该第一驱动参数之后，驱动器130可以进一步基于该第一驱动参数生成超声电机在启动阶段对应的驱动信号。其中，该驱动信号可以是基于第一驱动参数产生的电压信号或电流信号。

还需要说明的是，在本说明书一些实施例中，启动阶段可以为开环控制，只是为了克服最大静摩擦力，使动子及负载进入滑动状态，因此不需要持续很长时间。在一些实施例中，根据经验测试得到，可以在位移传感器持续10~20个采样周期时切换到下一阶段（即运行阶段）。

参照图4，在一些实施例中，负载在启动阶段可能会处于短暂的滑行状态，此时，第一摩擦力数据还可以根据斯特里贝克（Stribeck）摩擦力模型计算得到。斯特里贝克摩擦力模型的计算函数可以表示如下式。

。

其中， 为基于速度计算得到的摩擦力，F _s 为最大静摩擦力，F _c 为库伦摩擦力，v _s 为转折速度，δ为经验参数，B _v 为粘性摩擦系数，v是负载的运动速度， sgn()为符号函数。其中，最大静摩擦力F _s 是指整个***对应的最大静摩擦力，库伦摩擦力F _c 可以理解为超声电机在驱动负载进行运动的过程中的滑动摩擦力，其与接触面之间的压力和摩擦系数有关。在一些实施例中，最大静摩擦力F _s 、库伦摩擦力F _c 、转折速度v _s 以及粘性摩擦系数B _v 可以通过标定得到，经验参数δ可以设置为2。负载的运动速度v可以通过数据测量装置110获取的数据得到，具体而言，在一些实施例中，可以通过对负载的测量位置信息进行微分得到（图4中的s表示对实际位置进行微分得到速度，图5和图6中类似），在一些实施例中，也可以通过速度传感器直接采集得到。

在一些实施例中，可以根据需求对负载的位移方向和速度方向进行正负标定（即正向运动和反向运动）。作为示例，可以指定负载从初始位置向目标位置运动的方向为正方向，与之相反的方向即为负方向。符号函数sgn()可以根据负载的运动速度v的方向确定上述函数的具体计算方式，例如，当v大于0（即负载正向运动时）或等于0时，sgn(v)=1，当v小于0时（即负载反向运动时），sgn(v)=-1。

需要指出的是，在本说明书实施例中，通过使用上述摩擦力模型计算超声电机在启动阶段第一摩擦力数据，可以同时满足负载速度为零和非零两种状态下的摩擦力数据计算（即一开始v=0时，第一摩擦力数据为最大静摩擦力，当v＞0时，第一摩擦力数据则为与速度相关的一个量），从而准确、便捷地为前述第一驱动参数的计算提供数据支撑，使第一驱动参数能够有效抵消超声电机和/或负载在启动过程中的摩擦力，使其启动过程更加平稳、快速。

步骤320，在运行阶段：至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。在一些实施例中，步骤320可以由第二控制模块220执行。

在超声电机进入运行阶段之后，计算设备140可以至少基于参考位置信息以及超声电机负载的测量位置信息确定超声电机的第二驱动参数。在一些实施例中，前述参考位置信息可以通过轨迹规划得到，测量位置信息可以通过数据测量装置110采集得到。

具体而言，在一些实施例中，前述轨迹规划可以通过输入目标位置、目标速度和目标加速度等参数得到负载在一个或多个时间点对应的参考位置信息。其中，目标位置是轨迹规划中的基本参数，其指定了负载需要到达的最终位置，该位置可以是静态的，也可以是随时间变化的动态位置。目标速度是指负载在规划轨迹上的期望速度，其可以包括最大速度、平均速度等。在实际应用中，目标速度可能会根据不同的操作阶段或环境条件进行调整。目标加速度是指负载在移动过程中的加速度，其影响着负载的速度变化率，在一些实施例中，负载在加速阶段和减速阶段可以具有相同或不同大小的加速度。参考位置信息为轨迹规划的输出，其包含了负载在预定时间点的期望位置，这些信息通常以一系列的点来表示，每个点都有对应的时间戳和位置信息。在一些实施例中，可以通过对参考位置信息进行微分，得到对应的参考速度信息。在一些实施例中，可以将该参考速度信息与实际速度（即后文涉及的当前速度信息）进行比较，以检验负载的实际速度能否跟踪参考速度，其中，该实际速度可以通过负载的测量位置信息微分得到或通过速度传感器测量得到。

需要说明的是，在一些实施例中，前述轨迹规划可以包括匀加速、匀速和匀减速三个运动阶段。在一些其他的实施例中，可以通过输入更多的目标条件（例如加加速度），以得到具有多阶运动轨迹的规划结果。仅作为示例，在一些实施例中，可以采用梯形速度曲线、S形速度曲线、三次多项式曲线等轨迹规划算法进行轨迹规划，以得到负载在一个以上时间点对应的参考位置信息。在一些实施例中，轨迹规划可以在运行阶段开始前执行，例如，可以在启动阶段开始之前执行，或者与启动阶段同时开始执行。在一些实施例中，考虑到启动阶段的瞬时性（即持续时间较短），若轨迹规划和启动阶段同时开始执行，可能无法满足所需的响应速度，因此，可以在启动阶段之前执行轨迹规划。

在一些实施例中，数据测量装置110可以包括位移传感器，该位移传感器可以设置在负载（例如运动台）上，以用于获取负载在运动阶段中不同时间点所对应的测量位置信息。在一些实施例中，第二控制模块220可以基于同一时间点所对应的参考位置信息和测量位置信息的差值进行PID计算，从而确定超声电机的第二驱动参数。

具体而言，在进行PID计算之前，需要确定PID控制器的参数，具体而言，包括Kp、Ki、Kd三个参数，这些参数的选择可以通过试验和调整来获得最佳控制性能。在一些实施例中，可以使用标准的PID控制公式来处理参考位置信息（目标位置）与测量位置信息（实际位置）之间的差值，该差值即为PID控制器需要处理的误差。示例性地，在一些实施例中，PID控制器的计算过程可以表示为下式。

控制量 = Kp 误差 +Ki 误差积分 + Kd 误差微分。

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，误差积分是误差信号对时间的积分（即累积和），误差微分是误差信号对时间的微分（即变化率）。在一些实施例中，可以将部分参数置零（例如可以将Kd参数置零，退化为PI控制），从而使参数调整更加容易。

根据上述PID计算得到控制量之后，可以基于此调整超声电机的第二驱动参数。该第二驱动参数可以是电压幅值、电流幅值、频率值或其他可以调节超声电机性能的参数。通过适当调整第二驱动参数，可以减少上述误差并使超声电机驱动负载移动到期望的位置。换句话说，即通过PID计算来调整超声电机的第二驱动参数，可以使负载的运动轨迹与期望轨迹趋于一致。

在实际应用中，可能需要进行反馈控制来修正误差，并进一步优化超声电机的性能。通过实时测量超声电机负载的位置，并将测量位置信息与参考位置信息进行比较，可以计算出新的误差信号，并通过PID计算得到相应的控制量。通过重复以上步骤，可以不断进行PID计算和调整第二驱动参数，从而使得超声电机负载的运动与参考位置尽可能接近或达到所需精度。

在一些实施例中，前述误差还可以包括速度差或加速度差，换言之，即在PID计算过程中将速度差或加速度差考虑进去。举例而言，在一些实施例中，可以基于参考位置信息、测量位置信息以及负载的当前速度信息确定第二驱动参数。其中，负载的当前速度信息是指负载在当前时刻所对应的速度信息，或者与测量位置信息对应于同一时刻的速度信息，其可以通过对负载的测量位置信息进行微分或通过速度传感器直接采集得到。参照图5（图中s表示对实际位置进行微分得到当前速度信息），在一些实施例中，第二控制模块220可以将前述参考位置信息与测量位置信息的差值输入位置环控制器，以通过位置环PID算法得到位置环输出数据，然后将该位置环输出数据与当前速度信息的差值输入速度环控制器，以通过速度环PID算法得到速度环输出数据，最后将该速度环输出数据作为超声电机的第二驱动参数。

需要说明的是，位置环控制器和速度环控制器是PID控制中两个不同的控制环节，其中，位置环控制器负责将电机或负载移动到指定的位置，速度环控制器负责控制电机的转速以匹配目标速度。具体而言，位置环控制器可以接收某一时刻对应的目标位置（参考位置信息）作为输入，并将其与实际位置（如测量位置信息）进行比较，以计算位置误差。然后，位置环控制器可以使用PID算法来生成一个控制信号（如电压或电流），以驱动超声电机减少位置误差。速度环控制器可以接收目标速度（可能来自位置环控制器的输出）作为输入，并将其与实际速度（即上述当前速度信息，该当前速度信息可以通过测量位置信息微分得到或通过速度传感器测量得到）进行比较，以计算速度误差。进一步地，速度环控制器可以使用PID算法处理速度误差，从而生成一个控制信号来调整超声电机的运动速度。需要说明的是，速度环可以作为位置环的内环，提供快速响应和细粒度的速度调节，以支持位置控制的精度。在本说明书的一些实施例中，通过位置速度双环PID计算来确定超声电机的第二驱动参数，可以同时在速度和位置两个方面更好地跟踪规划轨迹，从而提高超声电机的控制精度。需要说明的是，在一些对速度要求不高的运行环境中，可以仅采用位置环，不考虑速度环。关于仅采用位置环PID计算来确定超声电机的第二驱动参数的相关描述可以在前文中找到，在此不再赘述。

在一些实施例中，考虑到运行阶段中存在的摩擦力会对负载的运动特性和运动轨迹造成一定的影响，进而可能会对PID控制产生一定的干扰。基于此，在本说明书的一些实施例中，可以基于超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数。其中，第二摩擦力数据可以通过负载的当前速度信息以及预先标定得到的粘性摩擦力系数计算得到，具体而言，即将负载的当前速度信息v与该粘性摩擦力系数B _v 相乘，即可得到前述第二摩擦力数据。需要说明的是，粘性摩擦力系数（Viscous friction coefficient）是描述物体在运动时所受阻力与其运动速度之比的参数，用于表征一个或多个摩擦力对物体运动的综合阻碍程度。

在一些实施例中，第二控制模块220可以通过预先配置的数据映射关系和/或计算模型对该第二摩擦力数据进行处理，得到该运行阶段补偿参数。在一些实施例中，可以直接将前述第二摩擦力数据作为超声电机在运动阶段的运行阶段补偿参数。在一些实施例中，该运行阶段补偿参数与前述第二驱动参数类似，可以包括电压值、电流值、频率值或其他可以调节超声电机性能的参数。

进一步地，在得到前述运行阶段补偿参数之后，第二控制模块220可以基于前述第二驱动参数和运行阶段补偿参数生成超声电机的驱动信号。在一些实施例中，可以将该运行阶段补偿参数与第二驱动参数进行叠加（例如在相同维度算术相加或进行其他含系数的融合运算），通过驱动器130将叠加结果转换得到用于在超声电机的运行阶段对其进行控制的驱动信号。

通常，运行阶段可以包括加速、匀速和减速三个阶段。在一些实施例中，超声电机的运行阶段也可以只包括加速阶段和减速阶段。在一些实施例中，可以在负载的测量位置与目标位置的差值小于预设稳态误差窗的c倍时，将超声电机切换到整定阶段，其中，目标位置是指负载的期望位置（即希望负载移动至目标位置），稳态误差窗是指稳态下***输出与期望输出之间允许的最大误差范围，在本说明书实施例中可以理解为允许的最大位置误差。在本说明书的一些实施例中，该稳态误差窗的数值可以根据实际需求进行预设（例如可以设置为1微米、2微米、0.5微米或其他数值）。在一些实施例中，经过实验验证，当c的取值介于50~100之间时，超声电机可以表现出较好的响应。具体而言，即当控制负载运动至与目标位置距离为预设稳态误差窗的50~100倍时，将超声电机切换至整定阶段，并采用整定阶段对应的控制方法对其进行驱动控制，可以精准地将负载驱动至该目标位置。在一些实施例中，该预设稳态误差窗的c倍可以为50微米。

步骤330，在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。在一些实施例中，步骤330可以由第三控制模块230执行。

整定阶段是指负载即将到达目标位置的阶段，在这一阶段需要控制超声电机进一步减速，并精准地停在目标位置。参照图6，在一些实施例中，第三控制模块230可以基于参考位置信息以及负载的测量位置信息确定超声电机在整定阶段的第三驱动参数。具体而言，可以将负载的实际位置（即通过数据测量装置110获取的测量位置信息）与通过轨迹规划得到的参考位置信息的差值输入位置环控制器进行PID计算，得到位置环输出，然后将该位置环输出作为超声电机的第三驱动参数。

负载在整定阶段通常速度较小，并且超声电机所提供的作用力也通常较小。考虑到整定阶段负载可能会由于摩擦力的原因出现爬行现象（即由于驱动力小于摩擦力停止，之后随着误差累积使得驱动力大于摩擦力，再然后又由于驱动力小于摩擦力导致负载停止的走走停停的现象），导致调节时间增加，基于此，在一些实施例中，为了避免负载在整定阶段出现爬行现象，可以基于超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数。

具体地，在一些实施例中，可以基于负载的当前速度信息，通过上述斯特里贝克（Stribeck）摩擦力模型计算得到该第三摩擦力数据。参照图6，在一些实施例中，负载的当前速度信息可以通过数据测量装置110获取的实际位置（即前述测量位置信息）进行微分计算（即图6中的s）得到。然后，通过将负载的当前速度信息代入上述斯特里贝克摩擦力模型可以计算得到负载在整定阶段的第三摩擦力数据。在一些实施例中，可以基于该第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数。例如，可以将第三摩擦力数据的k倍作为整定阶段补偿参数。

需要说明的是，当该k值过小时，补偿效果不佳，仍会出现爬行现象，而当该k值过大时，则可能会由于过补偿而导致***震荡。在本说明书的一些实施例中，经过实验验证，当0.6≤k≤0.8时，可以产生相对较好的补偿效果，不仅可以避免爬行现象出现，还可以确保超声电机精准地将负载驱动至目标位置。

进一步地，第三控制模块230可以基于前述第三驱动参数和整定阶段补偿参数生成超声电机的驱动信号。例如，在一些实施例中，可以将第三驱动参数与整定阶段补偿参数相叠加，通过驱动器处理该叠加结果得到超声电机在整定阶段对应的驱动信号。可以理解，在本说明书实施例中，通过基于负载在整定阶段的第三摩擦力数据对第三驱动参数进行补偿，可以消除摩擦力对负载运动的干扰，从而避免负载在整定阶段由于摩擦力而出现爬行现象，缩短***的PID调节时间。

在一些实施例中，可以在负载的测量位置与目标位置的差值处于前述预设稳态误差窗内，且维持数据测量装置110的n个以上采样周期时，判定负载被运送到位，此时，驱动器130输出的驱动信号可以全部置零。需要说明的是，在本说明书实施例中，整定阶段与运行阶段所涉及的预设稳态误差窗相同。在一些实施例中，该预设稳态误差窗可以设置为500纳米（即0.5微米），n的取值可以介于10~20之间。可以理解，当负载的测量位置与目标位置的差值刚进入预设稳态误差窗内时，负载还未精准抵达目标位置，且可能还具有一定的速度，在本说明书的一些实施例中，通过在负载的测量位置与目标位置的差值处于预设稳态误差窗内，且维持数据测量装置110的10~20个采样周期时将驱动器130输出的驱动信号置零，可以更精准地确保负载运动至目标位置。

本说明书一些实施还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令中的至少部分被处理器执行时可以实现如本说明书任一实施例所述的方法。

本说明书一些实施还提供一种超声电机的控制装置，包括处理器以及存储介质，其中，存储介质存储有计算机指令，处理器用于执行计算机指令中的至少部分以实现如本说明书任一实施例所述的方法。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被教导，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

Claims (12)

1.一种超声电机的控制方法，其特征在于，包括：

在启动阶段：基于所述超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号；

在运行阶段：基于参考位置信息、超声电机负载的测量位置信息以及所述负载的当前速度信息确定第二驱动参数，其进一步包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，以通过位置环PID算法得到位置环输出数据；将所述位置环输出数据与所述当前速度信息的差值输入速度环控制器，以通过速度环PID算法得到速度环输出数据，将所述速度环输出数据作为所述第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号；

在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数，其进一步包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，通过位置环PID算法得到位置环输出数据，将所述位置环输出数据作为所述第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声电机包括定子和动子，所述负载设置于所述动子处，所述负载包括运动台。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

基于目标条件进行轨迹规划，得到所述负载在一个以上时间点对应的参考位置信息，其中，所述目标条件包括目标位置、目标速度和目标加速度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦力数据包括最大静摩擦力或基于所述负载的当前速度信息，通过斯特里贝克摩擦力模型计算得到的摩擦力数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数，包括：

计算所述负载的当前速度信息以及粘性摩擦力系数的乘积，得到第二摩擦力数据，将所述第二摩擦力数据作为所述运行阶段补偿参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数，包括：

基于所述负载的当前速度信息，通过斯特里贝克摩擦力模型计算得到所述第三摩擦力数据；

将所述第三摩擦力数据的k倍作为所述整定阶段补偿参数，其中，0.6≤k≤0.8。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载的测量位置信息通过位移传感器采集得到，所述方法还包括：

在所述启动阶段：获取所述位移传感器的采样周期数，当所述采样周期数达到m时切换到所述运行阶段，其中，10≤m≤20。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述运行阶段：当所述负载的测量位置与目标位置的差值小于预设稳态误差窗的c倍时，切换到所述整定阶段，其中，50≤c≤100。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述整定阶段：当所述负载的测量位置与所述目标位置的差值在所述预设稳态误差窗内，且维持n个以上所述采样周期时，判定所述负载被运送到位，其中，10≤n≤20。

10.一种超声电机的控制***，其特征在于，包括：

第一控制模块，用于在启动阶段：基于所述超声电机在启动阶段的第一摩擦力数据确定第一驱动参数，基于所述第一驱动参数生成所述超声电机的驱动信号；

第二控制模块，用于在运行阶段：基于参考位置信息、超声电机负载的测量位置信息以及所述负载的当前速度信息确定第二驱动参数，其进一步包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，以通过位置环PID算法得到位置环输出数据；将所述位置环输出数据与所述当前速度信息的差值输入速度环控制器，以通过速度环PID算法得到速度环输出数据，将所述速度环输出数据作为所述第二驱动参数；基于所述超声电机在运行阶段的第二摩擦力数据确定运行阶段补偿参数；基于所述第二驱动参数和所述运行阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号；

第三控制模块，用于在整定阶段：基于参考位置信息以及所述负载的测量位置信息确定第三驱动参数，其进一步包括：将所述参考位置信息与所述测量位置信息的差值输入位置环控制器，通过位置环PID算法得到位置环输出数据，将所述位置环输出数据作为所述第三驱动参数；基于所述超声电机在整定阶段的第三摩擦力数据确定整定阶段补偿参数；基于所述第三驱动参数以及所述整定阶段补偿参数生成所述超声电机的驱动信号。

11.一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令中的至少部分被处理器执行时实现权利要求1~9中任意一项所述的方法。

12.一种超声电机的控制装置，包括处理器以及存储介质，所述存储介质存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述计算机指令中的至少部分以实现如权利要求1~9中任意一项所述的方法。