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。
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