基于无模型自适应控制方法的转速闭环控制原理及控制器

陆冠成 董振

摘 要 为了使控制工程实验课程内容紧随时代研究热点的步伐和深化控制工程实验课程内容，以无刷直流电机转速控制为对象，基于无模型自适应控制方法和STM32单片机，探讨一种无刷直流电机转速的闭环自适应控制方法，解决一般控制工程课程实验滞后于信息时代和工程实际需要的问题。

关键词 无刷直流电机；转速闭环控制；控制工程；MATLAB；PWM

中图分类号：G642.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0041-03

1 引言

创新精神与创造性实践能力培养是教育的关键，传统单一的控制工程实验难以满足高速发展的社会对人才培养提出的要求。由于控制工程课程实验配套硬件设备费用高，专机专用，实验项目组建的柔性低，导致大多数实验项目不得不围绕MATLAB仿真展开。单纯MATLAB仿真的控制工程课程实验由于缺乏必要的硬件设备，导致学生无法理解课程与工程实际问题的联系，对培养他们的动手能力和面向工程实际的应用能力极为不利。因此，改革实验方法，研究和设计一种造价经济、能够与MATLAB连接控制、可激发学生创新思维的实验装置实为必要。

一般控制工程课程实验内容依附于课程设立，仿真内容过多，实验方法与对象的设置相对传统，实验设备功能相对单一，缺乏理论联系实际，缺乏模块化与智能化，仪器设备不可实现资源共享，等等，滞后于信息时代和工程实际需要[1]。无刷直流电机综合了传统直流电机和交流电机诸多优点，具有可靠性高、效率高、寿命长、转速扭矩特性好、再生制动良好和维护简单等优点，已在国防工业、汽车、电动自行车、家电、工业过程控制、精密机床、机器人、航模和环保机械等行业得到广泛应用[2]。

无模型自适应控制方法是一种通过对受控系统输入输出数据进行计算并产生合理的系统驱动量，使系统输出实际值与设定值之间偏差变小，从而对受控系统实现自适应控制的方法。基于无模型自适应控制的控制器具有跟踪性能好和易于实现等优点，已在化工工业、机械制造业、航空航天和工业机器人等领域得到广泛应用，具有替代PID控制器的发展趋势。为了解决一般控制工程课程实验滞后于信息时代和工程实际需要的问题，探寻无刷直流电机转速闭环控制实验的新途径和新方法，本文将基于无模型自适应控制方法和STM32单片机探讨无刷直流电机转速闭环自适应控制方法，旨在拓展学生知识面，加强对热点控制方法的认知、理论联系实际，激发学生对控制方法应用的创新思维。

2 无刷直流电机转速自适应控制方法

在实际应用中，基于无模型自适应控制方法的控制器实际上是一个非线性动态负反馈控制环节或者模块[3]。本文根据转速设定值和测速装置反馈的实测转速值，运用无模型自适应控制器计算出PWM（Pulse Width Modulation，简称脉宽调制）信号的占空比，并将基于该占空比的PWM信号施加于无刷电机功率驱动模块，从而完成转速闭环控制，构成无刷直流电机转速闭环控制系统。其控制方案如图1所示。

无刷直流电机转速闭环控制系统可归结为一个单输入单输出离散时间非线性系统，本文将其描述为：

其中，T为数据采样周期，α和λ是可调的权重因子。通过最优化方法求得：

由于伪偏导φ（k）未知，在实际控制系统中，常用φ（k）的在线估计值来代替。在无模型自适应控制律中寻找在线估计值的方法通常称为伪偏导数辨识算法。针对本文所研究的受控系统，其伪偏导数辨识算法的目标是在使无限逼近y（k）-y（k-1）的基础上，惩罚系统伪偏导数的变化，亦即的值不能太大，则其准则函数为：

其中，ρ是可调的步长序列。因此，基于无模型自适应控制器的无刷直流电机转速闭环控制方法，不需要构建机理模型和过程状态方程，也不需要纷繁复杂的参数整定和模糊规则表，只需要受控系统的输入和输出数据，即可完成受控系统的自适应控制，具有不依赖于特定模型、易于实现、在线自适应、过程控制平稳和控制效果良好等优点。无模型自适应控制方法在控制工程课程实验中的实施与应用，将学生从PID控制实验带入无模型自适应控制实验，将会极大激发学生的创新思维，为培养学生对被控对象实施多样化控制方法和面向工程实际应用奠定基础。

3 无刷直流电机转速自适应控制的实现

STM32系列单片机是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器，也是一款集实时功能、数字信号处理、低功耗特性于一身以及性价比超高的系列单片机，具有性能高、成本低、功耗低等优点。STM32系列单片机具有单周期乘法和硬件除法，具有最多达112个快速I/O端口、11个定时器、13个通信接口，是目前嵌入式控制系统首选的微控制器之一[5]。

本文在無模型自适应控制方法的基础上，以STM32系列单片机作为无刷直流电机转速闭环控制的核心处理器，实现无刷直流电机转速的闭环控制系统，其总体方案如图2所示。系统主要利用STM32系列单片机内部的I/O口、ADC、

SPI、USB、Flash和TIM等资源，实现整个控制系统的通信、采集和驱动等功能。系统主要功能包括：利用处理器优越的计算能力，实现无模型自适应控制器；利用处理器片内高地址区实现系统参数记忆模块，以保存控制算法参数；利用ADC对转速检测装置反馈回来的转速电压模拟量进行采样，通过转速计算模块对数字电压进行转换，获取实测转速；利用SPI通信接口实现转速设定，完成无模型自适应控制器中系统期望输出的设定；利用高速USB2.0控制器将自适应控制参数存入参数记忆模块，将实时转速与占空比传回上位机，完成系统调式和参数设置；利用通用TIM定时器和无模型自适应控制器输出的占空比，调制和产生PWM信号；利用三相桥驱动电路和功率放大电路，实现PWM信号的功率放大以驱动电机转动。

STM32系列单片机具有丰富的内部资源，为无刷直流电机的驱动控制带来便捷途径。本文为了便于无刷直流电机速度闭环控制系统的集成，基于STM32系列单片机、外围功率放大器件、无刷直流电机相序图和反电动势方法实现无刷直流电机功率驱动模块。本文的无刷直流电机转速闭环自适应控制流程如图3所示，流程开始之后，首先要设置初始值和载入自适应控制参数；其次，根据无模型自适应控制律中伪偏导辨识算法和控制律算法，计算施加于功率驱动模块PWM信号的占空比；然后根据占空比产生相应的PWM信号并驱动电机；最后，根据过程状态更新过程量，根据控制条件循环运行，直至过程控制终止。

4 结语

基于无模型自适应控制方法的无刷直流电机转速闭环控制器具备较强的自适应能力，能够在控制过程中根据输入输出变化动态地调整控制器权值参数，能够较好地完成速度闭环控制，具有较强的实用性，对类似研究与应用具有重要的借鉴意义。基于无模型自适应控制方法的无刷直流电机转速闭环控制在控制工程课程实验上的实施，解决了一般控制工程课程实验滞后于信息时代和工程实际需要的问题，深化了控制工程实验课程内容，拓展了学生的创新思维。

参考文献

[1]戴跃侬.加强实践教学 提高人才培养质量[J].中国大学教学，2005（8）：43-44.

[2]夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，27（3）：25-34.

[3]朱凌峰，李宏光.pH过程的无模型自适应控制[J].仪器仪表用户，2006，13（4）：44-45.

[4]刘飞，祥李虹.无模型控制律的一种改进算法[J].工业控制计算机，2008，21（6）：66-67.

[5]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：305-313.