多无刷直流电动机偏差耦合同步控制
喻鹏，齐蓉
(西北工业大学，陕西西安710072)
摘要：以三台无刷直流电动机为控制对象，分析基于偏差耦合的多电机同步控制策略。在Simulink下创建了多电机同步控制系统，对多电机伺服系统在不同负载下的转速、系统的抗干扰性进行了分析研究。并采用基于DSP和CPLD的多电机控制系统验证其可行性。系统较好的实现了多电机给定速度同步跟踪，具有同步性高，抗干扰能力强等优点。证明了偏差耦合控制策略对多无刷直流电动机系统同步控制的有效性。
关键词：同步控制；无刷直流电动机；偏差耦合；DSP；CPLD
中圈分类号：a3M133 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(200s)04—0042—04
0引言
无刷直流电动机是结合了多学科技术的一种新型电机，机电一体化结构，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。目前无刷直流电动机已广泛应用于各个领域，特别是在航空航天领域得到广泛应用。在这些领域的应用中经常需要多台电机精确的一致工作，且对控制系统的可靠性、抗干扰能力都有异乎寻常的要求。我们采用偏差耦合控制策略来实现无刷直流电动机的同步控制，并建立了无刷直流电动机以及一系列控制测量模块的仿真模型，并给出了在不同条件下的仿真结果。最后使用以DSP和CPLD为主控芯片的控制系统来验证了其可行性。
1无刷直流电动机的数学模型[1]
无刷直流电动机具有梯形反电动势，矩形电流波形。在建立数学模型之前，先假设电机三相绕组对称，忽略转子磁阻，三相定子绕组自感相等且为L，定子绕组间互感均为M。根据传统直流电动机的电压平衡议程可得三相电压的数学模型如下:
式中:eA、eB、eC为电机的反电动势，p为微分算子。设电机为Y型连接，且无中性线，则可知：
其中：ω为转子的电角速度，p为极对数，J为转动惯量，Te为负载转矩，TL为粘滞阻尼系数。
2控制策略分析
当前应用领域最为主要的同步控制策略主要包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制以及偏差耦合控制等。
文献[3]证明了偏差耦合控制的结构是源于交叉耦合控制，只在其基础上做了一些改进其性能便有质的变化，使其能克服其它控制策略的缺点。偏差耦合控制最主要的改进在于利用各个电机系统之间的阻尼系数关系在速度反馈信号中添加了各个电机的相对速度信号。速度补偿器的结构如图1所示，速度补偿模块的作用如同“虚拟地”一样，将各个电机在过渡周期和转矩扰动时的相对速度归零。图1所示系统必须是相对独立的，即每组电机都需
要有独自的驱动器和传感器。简单的说，只是将偏差耦合控制策略运用到相对速度反馈模块，使每个驱动器在没有主参考输入的情况下能够通过其它  电机的状态来得出控制指令。
图中：Kr1、Kr2、......Km为速度反馈耦合放大增，n为电机的数量。各个速度补偿器中的反馈放增益各不相同，因为它们是为了补偿各个电机自身转动惯量的不同而存在的。各个速度补偿器的反馈放大增益K，可以通过其对应的电机的惯性常数求得。同时，为了设计偏差速度补偿器必须要知道各个电机的惯性常数和摩擦系数，以及整个系统的自然频率和阻尼系数。后两个参数的作用是在闭环系统中用来设计H控制器，并且其决定整个系统的瞬时动作以及在负载变化时的反馈状态。
本系统采用速度与电流的双闭环控制，加入偏差耦合策略，使系统完成同步控制的目标。每台电机都有专门的控制器和速度补偿模块。即每一台电机及其控制模块组成一个闭环系统，然后各系统间通过速度补偿模块耦合起来，形成整个控制系统，其控制结构如图2所示。
3仿真及实验结果
3．1仿真分析
文献[1]已分析了无刷电动机的数学模型，通过式(3)、式(5)、式(6)，即图1和图2可以建立电机仿真模型，其结构如图3所示。
系统所选电机参数为：额定电压(直流)28 V，额定转速5 000 r／min，反电势系数0 02 V·s／rad，极对数2，额定转矩0 04 N·m，转子惯性矩4．045×10-6N·m·s2，每相电枢绕组电阻1．5 Ω，绕组电感0．14 mH，两相绕组间互感O 05 mH。
真曲线；图5为系统在运行时加入外部随机扰动时的速度仿真曲线。
从仿真结果可以得知，采用偏差解耦控制策略的多电机控制系统具有同步胜好、超调量小、响应速度快、鲁棒性强等特点，并且具有较强的抗干扰能力。
3．2实验结果
为了验证偏差耦合控制策略的可行性，采用以专用运动控制芯片TMS320F2812为核心的运动控制系统来验证其有效性。
由于本系统有三台电机，需要18路PWM接口来完成三相全桥控制，而TMS320F2812的事件管理单元一共含有16路专用PWM接口，由此出现了系统资源紧张的问题。为了分担DsP的负担，选用MAX7000的复杂可编程逻辑器件中的EPM7064AE作为逻辑单元。DSP只需发送三路可调脉宽和频率的PWM波，即可完成三台电机的控制。对于驱动部分，选用IR公司IR2130作为驱动器件，使用IG—BT搭建三相全桥逆变电路。偏差耦合控制策略和PID调节通过软件实现。文献[5]给出了多电机同步控制PID参数计算方法。
本系统通过霍尔信号来检测各电机的转速，为了尽量在全速度范围内检测电机的转速，需要对霍尔信号进行6倍频后再通过光耦隔离送人DSP的捕获端口，以防止捕获端口的计数器溢出造成捕获速度不精确。对于电流的采集，为了节省成本，使用大功率精密无感电阻，作为电流采样传感器，然后通过差分放大器和有源滤波电路将电机母线上的电流信号转化为电压信号后通过线形光耦再送人DsP的AD端口。整个系统的硬件结构如图6所示。
系统中速度环采样周期设为20 ms，电流环采样周期设置为。200μs。系统验证了多台电机的稳定运行，以及换向时刻的同步性。通过DSP外扩的128 kb 16位RAM存储cAP口捕获的速度信号，通过MATLAB绘出在给定转速为5 000 r／min时的正反转及切换瞬间的速度响应曲线，如图7所示。图8给出了同等给定条件下的仿真速度曲线。
由图7可知，采用偏差耦合控制策略的多电机控制系统，由于采用霍尔传感器作为速度传感器，同图8的仿真结果相比较，测量精度受到一定的影响，同时在稳态运行时由于电磁干扰等原因反馈速度有轻微的波动，但稳态误差相对较小，且具有响应时间快、鲁棒性强、控制算法简单、实现容易等诸多优点，具有一定的实际工程意义。
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