陸冠成 董振

摘 要 為了使控制工程實驗課程內(nèi)容緊隨時代研究熱點的步伐和深化控制工程實驗課程內(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驗滯后于信息時代和工程實際需要的問題。

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)造性實踐能力培養(yǎng)是教育的關(guān)鍵，傳統(tǒng)單一的控制工程實驗難以滿足高速發(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驗配套硬件設(shè)備費用高，專機(jī)專用，實驗項目組建的柔性低，導(dǎo)致大多數(shù)實驗項目不得不圍繞MATLAB仿真展開。單純MATLAB仿真的控制工程課程實驗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際問題的聯(lián)系，對培養(yǎng)他們的動手能力和面向工程實際的應(yīng)用能力極為不利。因此，改革實驗方法，研究和設(shè)計一種造價經(jīng)濟(jì)、能夠與MATLAB連接控制、可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的實驗裝置實為必要。

一般控制工程課程實驗內(nèi)容依附于課程設(shè)立，仿真內(nèi)容過多，實驗方法與對象的設(shè)置相對傳統(tǒng)，實驗設(shè)備功能相對單一，缺乏理論聯(lián)系實際，缺乏模塊化與智能化，儀器設(shè)備不可實現(xiàn)資源共享，等等，滯后于信息時代和工程實際需要[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，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，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)行計算并產(chǎn)生合理的系統(tǒng)驅(qū)動量，使系統(tǒng)輸出實際值與設(shè)定值之間偏差變小，從而對受控系統(tǒng)實現(xiàn)自適應(yīng)控制的方法?；跓o模型自適應(yīng)控制的控制器具有跟蹤性能好和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，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驗滯后于信息時代和工程實際需要的問題，探尋無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實驗的新途徑和新方法，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)對熱點控制方法的認(rèn)知、理論聯(lián)系實際，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

在實際應(yīng)用中，基于無模型自適應(yīng)控制方法的控制器實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測轉(zhuǎn)速值，運(yùn)用無模型自適應(yīng)控制器計算出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，在實際控制系統(tǒng)中，常用φ（k）的在線估計值來代替。在無模型自適應(yīng)控制律中尋找在線估計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。無模型自適應(yīng)控制方法在控制工程課程實驗中的實施與應(yīng)用，將學(xué)生從PID控制實驗帶入無模型自適應(yīng)控制實驗，將會極大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)學(xué)生對被控對象實施多樣化控制方法和面向工程實際應(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。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)越的計算能力，實現(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)速計算模塊對數(shù)字電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲取實測轉(zhuǎn)速；利用SPI通信接口實現(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)的實用性，對類似研究與應(yīng)用具有重要的借鑒意義。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)控制在控制工程課程實驗上的實施，解決了一般控制工程課程實驗滯后于信息時代和工程實際需要的問題，深化了控制工程實驗課程內(nèi)容，拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

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