多無刷直流電動機偏差耦合同步控制
喻鵬，齊蓉
(西北工業大學，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下創建了多電機同步控制系統，對多電機伺服系統在不同負載下的轉速、系統的抗干擾性進行了分析研究。并采用基于DSP和CPLD的多電機控制系統驗證其可行性。系統較好的實現了多電機給定速度同步跟蹤，具有同步性高，抗干擾能力強等優點。證明了偏差耦合控制策略對多無刷直流電動機系統同步控制的有效性。
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、高動態響應、高熱容量和高可靠性等優點，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來驗證了其可行性。
1無刷直流電動機的數學模型[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。根據傳統直流電動機的電壓平衡議程可得三相電壓的數學模型如下:
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，J為轉動慣量，Te為負載轉矩，TL為粘滯阻尼系數。
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之間的阻尼系數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和摩擦系數，以及整個系統的自然頻率和阻尼系數。后兩個參數的作用是在閉環系統中用來設計H控制器，并且其決定整個系統的瞬時動作以及在負載變化時的反饋狀態。
本系統采用速度與電流的雙閉環控制，加入偏差耦合策略，使系統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系統，然后各系統間通過速度補償模塊耦合起來，形成整個控制系統，其控制結構如圖2所示。
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