基于無模型自適應(yīng)控制方法的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制原理及控制器

陸冠成 董振

摘 要 為了使控制工程實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容緊隨時代研究熱點(diǎn)的步伐和深化控制工程實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，以無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為對象，基于無模型自適應(yīng)控制方法和STM32單片機(jī)，探討一種無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自適應(yīng)控制方法，解決一般控制工程課程實(shí)驗(yàn)滯后于信息時代和工程實(shí)際需要的問題。

關(guān)鍵詞 無刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；控制工程；MATLAB；PWM

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）02-0041-03

1 引言

創(chuàng)新精神與創(chuàng)造性實(shí)踐能力培養(yǎng)是教育的關(guān)鍵，傳統(tǒng)單一的控制工程實(shí)驗(yàn)難以滿足高速發(fā)展的社會對人才培養(yǎng)提出的要求。由于控制工程課程實(shí)驗(yàn)配套硬件設(shè)備費(fèi)用高，專機(jī)專用，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組建的柔性低，導(dǎo)致大多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不得不圍繞MATLAB仿真展開。單純MATLAB仿真的控制工程課程實(shí)驗(yàn)由于缺乏必要的硬件設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生無法理解課程與工程實(shí)際問題的聯(lián)系，對培養(yǎng)他們的動手能力和面向工程實(shí)際的應(yīng)用能力極為不利。因此，改革實(shí)驗(yàn)方法，研究和設(shè)計(jì)一種造價經(jīng)濟(jì)、能夠與MATLAB連接控制、可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)為必要。

一般控制工程課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容依附于課程設(shè)立，仿真內(nèi)容過多，實(shí)驗(yàn)方法與對象的設(shè)置相對傳統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能相對單一，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際，缺乏模塊化與智能化，儀器設(shè)備不可實(shí)現(xiàn)資源共享，等等，滯后于信息時代和工程實(shí)際需要[1]。無刷直流電機(jī)綜合了傳統(tǒng)直流電機(jī)和交流電機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)，具有可靠性高、效率高、壽命長、轉(zhuǎn)速扭矩特性好、再生制動良好和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，已在國防工業(yè)、汽車、電動自行車、家電、工業(yè)過程控制、精密機(jī)床、機(jī)器人、航模和環(huán)保機(jī)械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。

無模型自適應(yīng)控制方法是一種通過對受控系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并產(chǎn)生合理的系統(tǒng)驅(qū)動量，使系統(tǒng)輸出實(shí)際值與設(shè)定值之間偏差變小，從而對受控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的方法。基于無模型自適應(yīng)控制的控制器具有跟蹤性能好和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已在化工工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、航空航天和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有替代PID控制器的發(fā)展趨勢。為了解決一般控制工程課程實(shí)驗(yàn)滯后于信息時代和工程實(shí)際需要的問題，探尋無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)的新途徑和新方法，本文將基于無模型自適應(yīng)控制方法和STM32單片機(jī)探討無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)自適應(yīng)控制方法，旨在拓展學(xué)生知識面，加強(qiáng)對熱點(diǎn)控制方法的認(rèn)知、理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生對控制方法應(yīng)用的創(chuàng)新思維。

2 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制方法

在實(shí)際應(yīng)用中，基于無模型自適應(yīng)控制方法的控制器實(shí)際上是一個非線性動態(tài)負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)或者模塊[3]。本文根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和測速裝置反饋的實(shí)測轉(zhuǎn)速值，運(yùn)用無模型自適應(yīng)控制器計(jì)算出PWM（Pulse Width Modulation，簡稱脈寬調(diào)制）信號的占空比，并將基于該占空比的PWM信號施加于無刷電機(jī)功率驅(qū)動模塊，從而完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，構(gòu)成無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。其控制方案如圖1所示。

無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可歸結(jié)為一個單輸入單輸出離散時間非線性系統(tǒng)，本文將其描述為：

其中，T為數(shù)據(jù)采樣周期，α和λ是可調(diào)的權(quán)重因子。通過最優(yōu)化方法求得：

由于偽偏導(dǎo)φ（k）未知，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，常用φ（k）的在線估計(jì)值來代替。在無模型自適應(yīng)控制律中尋找在線估計(jì)值的方法通常稱為偽偏導(dǎo)數(shù)辨識算法。針對本文所研究的受控系統(tǒng)，其偽偏導(dǎo)數(shù)辨識算法的目標(biāo)是在使無限逼近y（k）-y（k-1）的基礎(chǔ)上，懲罰系統(tǒng)偽偏導(dǎo)數(shù)的變化，亦即的值不能太大，則其準(zhǔn)則函數(shù)為：

其中，ρ是可調(diào)的步長序列。因此，基于無模型自適應(yīng)控制器的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方法，不需要構(gòu)建機(jī)理模型和過程狀態(tài)方程，也不需要紛繁復(fù)雜的參數(shù)整定和模糊規(guī)則表，只需要受控系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)，即可完成受控系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，具有不依賴于特定模型、易于實(shí)現(xiàn)、在線自適應(yīng)、過程控制平穩(wěn)和控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)。無模型自適應(yīng)控制方法在控制工程課程實(shí)驗(yàn)中的實(shí)施與應(yīng)用，將學(xué)生從PID控制實(shí)驗(yàn)帶入無模型自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)，將會極大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)學(xué)生對被控對象實(shí)施多樣化控制方法和面向工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)

STM32系列單片機(jī)是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，也是一款集實(shí)時功能、數(shù)字信號處理、低功耗特性于一身以及性價比超高的系列單片機(jī)，具有性能高、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。STM32系列單片機(jī)具有單周期乘法和硬件除法，具有最多達(dá)112個快速I/O端口、11個定時器、13個通信接口，是目前嵌入式控制系統(tǒng)首選的微控制器之一[5]。

本文在無模型自適應(yīng)控制方法的基礎(chǔ)上，以STM32系列單片機(jī)作為無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的核心處理器，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其總體方案如圖2所示。系統(tǒng)主要利用STM32系列單片機(jī)內(nèi)部的I/O口、ADC、

SPI、USB、Flash和TIM等資源，實(shí)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的通信、采集和驅(qū)動等功能。系統(tǒng)主要功能包括：利用處理器優(yōu)越的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)無模型自適應(yīng)控制器；利用處理器片內(nèi)高地址區(qū)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)記憶模塊，以保存控制算法參數(shù)；利用ADC對轉(zhuǎn)速檢測裝置反饋回來的轉(zhuǎn)速電壓模擬量進(jìn)行采樣，通過轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊對數(shù)字電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲取實(shí)測轉(zhuǎn)速；利用SPI通信接口實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定，完成無模型自適應(yīng)控制器中系統(tǒng)期望輸出的設(shè)定；利用高速USB2.0控制器將自適應(yīng)控制參數(shù)存入?yún)?shù)記憶模塊，將實(shí)時轉(zhuǎn)速與占空比傳回上位機(jī)，完成系統(tǒng)調(diào)式和參數(shù)設(shè)置；利用通用TIM定時器和無模型自適應(yīng)控制器輸出的占空比，調(diào)制和產(chǎn)生PWM信號；利用三相橋驅(qū)動電路和功率放大電路，實(shí)現(xiàn)PWM信號的功率放大以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

STM32系列單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部資源，為無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制帶來便捷途徑。本文為了便于無刷直流電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的集成，基于STM32系列單片機(jī)、外圍功率放大器件、無刷直流電機(jī)相序圖和反電動勢方法實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動模塊。本文的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)自適應(yīng)控制流程如圖3所示，流程開始之后，首先要設(shè)置初始值和載入自適應(yīng)控制參數(shù)；其次，根據(jù)無模型自適應(yīng)控制律中偽偏導(dǎo)辨識算法和控制律算法，計(jì)算施加于功率驅(qū)動模塊PWM信號的占空比；然后根據(jù)占空比產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號并驅(qū)動電機(jī)；最后，根據(jù)過程狀態(tài)更新過程量，根據(jù)控制條件循環(huán)運(yùn)行，直至過程控制終止。

4 結(jié)語

基于無模型自適應(yīng)控制方法的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器具備較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能夠在控制過程中根據(jù)輸入輸出變化動態(tài)地調(diào)整控制器權(quán)值參數(shù)，能夠較好地完成速度閉環(huán)控制，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對類似研究與應(yīng)用具有重要的借鑒意義?；跓o模型自適應(yīng)控制方法的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制在控制工程課程實(shí)驗(yàn)上的實(shí)施，解決了一般控制工程課程實(shí)驗(yàn)滯后于信息時代和工程實(shí)際需要的問題，深化了控制工程實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

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