基于無模型自適應控制方法的轉速閉環控制原理及控制器

陸冠成 董振

摘 要 為了使控制工程實驗課程內容緊隨時代研究熱點的步伐和深化控制工程實驗課程內容，以無刷直流電機轉速控制為對象，基于無模型自適應控制方法和STM32單片機，探討一種無刷直流電機轉速的閉環自適應控制方法，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。

關鍵詞 無刷直流電機；轉速閉環控制；控制工程；MATLAB；PWM

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）02-0041-03

1 引言

創新精神與創造性實踐能力培養是教育的關鍵，傳統單一的控制工程實驗難以滿足高速發展的社會對人才培養提出的要求。由于控制工程課程實驗配套硬件設備費用高，專機專用，實驗項目組建的柔性低，導致大多數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備，導致學生無法理解課程與工程實際問題的聯系，對培養他們的動手能力和面向工程實際的應用能力極為不利。因此，改革實驗方法，研究和設計一種造價經濟、能夠與MATLAB連接控制、可激發學生創新思維的實驗裝置實為必要。

一般控制工程課程實驗內容依附于課程設立，仿真內容過多，實驗方法與對象的設置相對傳統，實驗設備功能相對單一，缺乏理論聯系實際，缺乏模塊化與智能化，儀器設備不可實現資源共享，等等，滯后于信息時代和工程實際需要[1]。無刷直流電機綜合了傳統直流電機和交流電機諸多優點，具有可靠性高、效率高、壽命長、轉速扭矩特性好、再生制動良好和維護簡單等優點，已在國防工業、汽車、電動自行車、家電、工業過程控制、精密機床、機器人、航模和環保機械等行業得到廣泛應用[2]。

無模型自適應控制方法是一種通過對受控系統輸入輸出數據進行計算并產生合理的系統驅動量，使系統輸出實際值與設定值之間偏差變小，從而對受控系統實現自適應控制的方法。基于無模型自適應控制的控制器具有跟蹤性能好和易于實現等優點，已在化工工業、機械制造業、航空航天和工業機器人等領域得到廣泛應用，具有替代PID控制器的發展趨勢。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，探尋無刷直流電機轉速閉環控制實驗的新途徑和新方法，本文將基于無模型自適應控制方法和STM32單片機探討無刷直流電機轉速閉環自適應控制方法，旨在拓展學生知識面，加強對熱點控制方法的認知、理論聯系實際，激發學生對控制方法應用的創新思維。

2 無刷直流電機轉速自適應控制方法

在實際應用中，基于無模型自適應控制方法的控制器實際上是一個非線性動態負反饋控制環節或者模塊[3]。本文根據轉速設定值和測速裝置反饋的實測轉速值，運用無模型自適應控制器計算出PWM（Pulse Width Modulation，簡稱脈寬調制）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功率驅動模塊，從而完成轉速閉環控制，構成無刷直流電機轉速閉環控制系統。其控制方案如圖1所示。

無刷直流電機轉速閉環控制系統可歸結為一個單輸入單輸出離散時間非線性系統，本文將其描述為：

其中，T為數據采樣周期，α和λ是可調的權重因子。通過最優化方法求得：

由于偽偏導φ（k）未知，在實際控制系統中，常用φ（k）的在線估計值來代替。在無模型自適應控制律中尋找在線估計值的方法通常稱為偽偏導數辨識算法。針對本文所研究的受控系統，其偽偏導數辨識算法的目標是在使無限逼近y（k）-y（k-1）的基礎上，懲罰系統偽偏導數的變化，亦即的值不能太大，則其準則函數為：

其中，ρ是可調的步長序列。因此，基于無模型自適應控制器的無刷直流電機轉速閉環控制方法，不需要構建機理模型和過程狀態方程，也不需要紛繁復雜的參數整定和模糊規則表，只需要受控系統的輸入和輸出數據，即可完成受控系統的自適應控制，具有不依賴于特定模型、易于實現、在線自適應、過程控制平穩和控制效果良好等優點。無模型自適應控制方法在控制工程課程實驗中的實施與應用，將學生從PID控制實驗帶入無模型自適應控制實驗，將會極大激發學生的創新思維，為培養學生對被控對象實施多樣化控制方法和面向工程實際應用奠定基礎。

3 無刷直流電機轉速自適應控制的實現

STM32系列單片機是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器，也是一款集實時功能、數字信號處理、低功耗特性于一身以及性價比超高的系列單片機，具有性能高、成本低、功耗低等優點。STM32系列單片機具有單周期乘法和硬件除法，具有最多達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首選的微控制器之一[5]。

本文在無模型自適應控制方法的基礎上，以STM32系列單片機作為無刷直流電機轉速閉環控制的核心處理器，實現無刷直流電機轉速的閉環控制系統，其總體方案如圖2所示。系統主要利用STM32系列單片機內部的I/O口、ADC、

SPI、USB、Flash和TIM等資源，實現整個控制系統的通信、采集和驅動等功能。系統主要功能包括：利用處理器優越的計算能力，實現無模型自適應控制器；利用處理器片內高地址區實現系統參數記憶模塊，以保存控制算法參數；利用ADC對轉速檢測裝置反饋回來的轉速電壓模擬量進行采樣，通過轉速計算模塊對數字電壓進行轉換，獲取實測轉速；利用SPI通信接口實現轉速設定，完成無模型自適應控制器中系統期望輸出的設定；利用高速USB2.0控制器將自適應控制參數存入參數記憶模塊，將實時轉速與占空比傳回上位機，完成系統調式和參數設置；利用通用TIM定時器和無模型自適應控制器輸出的占空比，調制和產生PWM信號；利用三相橋驅動電路和功率放大電路，實現PWM信號的功率放大以驅動電機轉動。

STM32系列單片機具有豐富的內部資源，為無刷直流電機的驅動控制帶來便捷途徑。本文為了便于無刷直流電機速度閉環控制系統的集成，基于STM32系列單片機、外圍功率放大器件、無刷直流電機相序圖和反電動勢方法實現無刷直流電機功率驅動模塊。本文的無刷直流電機轉速閉環自適應控制流程如圖3所示，流程開始之后，首先要設置初始值和載入自適應控制參數；其次，根據無模型自適應控制律中偽偏導辨識算法和控制律算法，計算施加于功率驅動模塊PWM信號的占空比；然后根據占空比產生相應的PWM信號并驅動電機；最后，根據過程狀態更新過程量，根據控制條件循環運行，直至過程控制終止。

4 結語

基于無模型自適應控制方法的無刷直流電機轉速閉環控制器具備較強的自適應能力，能夠在控制過程中根據輸入輸出變化動態地調整控制器權值參數，能夠較好地完成速度閉環控制，具有較強的實用性，對類似研究與應用具有重要的借鑒意義。基于無模型自適應控制方法的無刷直流電機轉速閉環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容，拓展了學生的創新思維。

參考文獻

[1]戴躍儂.加強實踐教學 提高人才培養質量[J].中國大學教學，2005（8）：43-44.

[2]夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術學報，2012，27（3）：25-34.

[3]朱凌峰，李宏光.pH過程的無模型自適應控制[J].儀器儀表用戶，2006，13（4）：44-45.

[4]劉飛，祥李虹.無模型控制律的一種改進算法[J].工業控制計算機，2008，21（6）：66-67.

[5]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：305-313.