多無刷直流電動機偏差耦合同步控制
喻鵬，齊蓉
(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)
摘要：以三臺無刷直流電動機為控制對象，分析基于偏差耦合的多電機同步控制策略。在Simulink下創(chuàng)建了多電機同步控制系統(tǒng)，對多電機伺服系統(tǒng)在不同負載下的轉速、系統(tǒng)的抗干擾性進行了分析研究。并采用基于DSP和CPLD的多電機控制系統(tǒng)驗證其可行性。系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了多電機給定速度同步跟蹤，具有同步性高，抗干擾能力強等優(yōu)點。證明了偏差耦合控制策略對多無刷直流電動機系統(tǒng)同步控制的有效性。
關鍵詞：同步控制；無刷直流電動機；偏差耦合；DSP；CPLD
中圈分類號：a3M133 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(200s)04—0042—04
0引言
無刷直流電動機是結合了多學科技術的一種新型電機，機電一體化結構，具有高速度、高效率、高動態(tài)響應、高熱容量和高可靠性等優(yōu)點，同時還具有低噪聲和長壽命等特點。目前無刷直流電動機已廣泛應用于各個領域，特別是在航空航天領域得到廣泛應用。在這些領域的應用中經常需要多臺電機精確的一致工作，且對控制系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力都有異乎尋常的要求。我們采用偏差耦合控制策略來實現(xiàn)無刷直流電動機的同步控制，并建立了無刷直流電動機以及一系列控制測量模塊的仿真模型，并給出了在不同條件下的仿真結果。最后使用以DSP和CPLD為主控芯片的控制系統(tǒng)來驗證了其可行性。
1無刷直流電動機的數(shù)學模型[1]
無刷直流電動機具有梯形反電動勢，矩形電流波形。在建立數(shù)學模型之前，先假設電機三相繞組對稱，忽略轉子磁阻，三相定子繞組自感相等且為L，定子繞組間互感均為M。根據傳統(tǒng)直流電動機的電壓平衡議程可得三相電壓的數(shù)學模型如下:
式中:eA、eB、eC為電機的反電動勢，p為微分算子。設電機為Y型連接，且無中性線，則可知：
其中：ω為轉子的電角速度，p為極對數(shù)，J為轉動慣量，Te為負載轉矩，TL為粘滯阻尼系數(shù)。
2控制策略分析
當前應用領域最為主要的同步控制策略主要包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制以及偏差耦合控制等。
文獻[3]證明了偏差耦合控制的結構是源于交叉耦合控制，只在其基礎上做了一些改進其性能便有質的變化，使其能克服其它控制策略的缺點。偏差耦合控制最主要的改進在于利用各個電機系統(tǒng)之間的阻尼系數(shù)關系在速度反饋信號中添加了各個電機的相對速度信號。速度補償器的結構如圖1所示，速度補償模塊的作用如同“虛擬地”一樣，將各個電機在過渡周期和轉矩擾動時的相對速度歸零。圖1所示系統(tǒng)必須是相對獨立的，即每組電機都需
要有獨自的驅動器和傳感器。簡單的說，只是將偏差耦合控制策略運用到相對速度反饋模塊，使每個驅動器在沒有主參考輸入的情況下能夠通過其它  電機的狀態(tài)來得出控制指令。
圖中：Kr1、Kr2、......Km為速度反饋耦合放大增，n為電機的數(shù)量。各個速度補償器中的反饋放增益各不相同，因為它們是為了補償各個電機自身轉動慣量的不同而存在的。各個速度補償器的反饋放大增益K，可以通過其對應的電機的慣性常數(shù)求得。同時，為了設計偏差速度補償器必須要知道各個電機的慣性常數(shù)和摩擦系數(shù)，以及整個系統(tǒng)的自然頻率和阻尼系數(shù)。后兩個參數(shù)的作用是在閉環(huán)系統(tǒng)中用來設計H控制器，并且其決定整個系統(tǒng)的瞬時動作以及在負載變化時的反饋狀態(tài)。
本系統(tǒng)采用速度與電流的雙閉環(huán)控制，加入偏差耦合策略，使系統(tǒng)完成同步控制的目標。每臺電機都有專門的控制器和速度補償模塊。即每一臺電機及其控制模塊組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，然后各系統(tǒng)間通過速度補償模塊耦合起來，形成整個控制系統(tǒng)，其控制結構如圖2所示。
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