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(shí)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(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為對(duì)象，基于無(wú)模型自適應(yīng)控制方法和STM32單片機(jī)，探討一種無(wú)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(shí)代和工程實(shí)際需要的問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(mǎn)足高速發(fā)展的社會(huì)對(duì)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(zhuān)機(jī)專(zhuān)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(kāi)。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(wú)法理解課程與工程實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系，對(duì)培養(yǎng)他們的動(dòng)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(jià)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(guò)多，實(shí)驗(yàn)方法與對(duì)象的設(shè)置相對(duì)傳統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能相對(duì)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(shí)代和工程實(shí)際需要[1]。無(wú)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(zhǎng)、轉(zhuǎn)速扭矩特性好、再生制動(dòng)良好和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)防工業(yè)、汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、家電、工業(yè)過(guò)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(wú)模型自適應(yīng)控制方法是一種通過(guò)對(duì)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(dòng)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(duì)受控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制的方法?；跓o(wú)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(shì)。為了解決一般控制工程課程實(shí)驗(yàn)滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際需要的問(wèn)題，探尋無(wú)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(wú)模型自適應(yīng)控制方法和STM32單片機(jī)探討無(wú)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(shí)面，加強(qiáng)對(duì)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(duì)控制方法應(yīng)用的創(chuàng)新思維。

2 無(wú)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(wú)模型自適應(yīng)控制方法的控制器實(shí)際上是一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)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(cè)速裝置反饋的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速值，運(yùn)用無(wú)模型自適應(yīng)控制器計(jì)算出PWM（Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制）信號(hào)的占空比，并將基于該占空比的PWM信號(hào)施加于無(wú)刷電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊，從而完成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，構(gòu)成無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可歸結(jié)為一個(gè)單輸入單輸出離散時(shí)間非線(xiàn)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(guò)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(xiàn)估計(jì)值來(lái)代替。在無(wú)模型自適應(yīng)控制律中尋找在線(xiàn)估計(jì)值的方法通常稱(chēng)為偽偏導(dǎo)數(shù)辨識(shí)算法。針對(duì)本文所研究的受控系統(tǒng)，其偽偏導(dǎo)數(shù)辨識(shí)算法的目標(biāo)是在使無(wú)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(zhǎng)序列。因此，基于無(wú)模型自適應(yīng)控制器的無(wú)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(guò)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(lài)于特定模型、易于實(shí)現(xiàn)、在線(xiàn)自適應(yīng)、過(guò)程控制平穩(wěn)和控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)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(wú)模型自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)，將會(huì)極大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)被控對(duì)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(wú)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(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗特性于一身以及性?xún)r(jià)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(gè)快速I(mǎi)/O端口、11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)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(wú)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(wú)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(wú)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(gè)控制系統(tǒng)的通信、采集和驅(qū)動(dòng)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(wú)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(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置反饋回來(lái)的轉(zhuǎn)速電壓模擬量進(jìn)行采樣，通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊對(duì)數(shù)字電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲取實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速；利用SPI通信接口實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定，完成無(wú)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(shí)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(shí)器和無(wú)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(hào)；利用三相橋驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路，實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的功率放大以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

STM32系列單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部資源，為無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制帶來(lái)便捷途徑。本文為了便于無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)相序圖和反電動(dòng)勢(shì)方法實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊。本文的無(wú)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(kāi)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(wú)模型自適應(yīng)控制律中偽偏導(dǎo)辨識(shí)算法和控制律算法，計(jì)算施加于功率驅(qū)動(dòng)模塊PWM信號(hào)的占空比；然后根據(jù)占空比產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)；最后，根據(jù)過(guò)程狀態(tài)更新過(guò)程量，根據(jù)控制條件循環(huán)運(yùn)行，直至過(guò)程控制終止。

4 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)模型自適應(yīng)控制方法的無(wú)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(guò)程中根據(jù)輸入輸出變化動(dòng)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(duì)類(lèi)似研究與應(yīng)用具有重要的借鑒意義?；跓o(wú)模型自適應(yīng)控制方法的無(wú)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(shí)代和工程實(shí)際需要的問(wèn)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)

[1]戴躍儂.加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué) 提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005（8）：43-44.

[2]夏長(zhǎng)亮，方紅偉.永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：25-34.

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

[4]劉飛，祥李虹.無(wú)模型控制律的一種改進(jìn)算法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：305-313.