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故障原因与解决方法

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基于模型参考自适应的电动执行器控制方法

发表于 2017-10-21 01:10:37 | 1570 只看该作者回帖奖励

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发表于 2017-10-21 01:10:37 | 只看该作者回帖奖励

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电子人社区网讯：　　摘要：针对采用无刷直流电机的电动执行器的控制问题，基于模型参考自适应理论提出了一种电动执行器控制方法并利用TMS32F2812设计了相应的控制系统。介绍了电动执行器的结构，包括控制器、驱动器、无刷直流电机、执行机构等。建立了无刷直流电机的数学模型，详细论述了采用梯度法实现模型参考自适应控制的过程。
　　关键字：电动执行器模型参考自适应控制无刷直流电机参数整定
　　0 引言
　　在现代工业过程控制的自动化进程中，电动执行器具有十分重要的作用。通常情况下，电动执行器从调节器获取数字量或模拟量控制信号，将其转换为对应的直线位移或角位移输出，驱动执行机构完成相应的动作，最终实现被调对象的自动控制。因此，电动执行器在化工、农业、交通运输、城市建设、航天、国防、等领域的应用十分广泛。
　　电动执行器的驱动核心为电机，所以电动执行器的控制问题主要涉及电机的控制。目前，自适应理论在控制领域的应用比较广泛。所谓自适应控制是指通过实时检测、对比系统输入、输出信号，得到被控对象和系统误差的动态特性，根据系统动态误差及时进行调节控制，提高系统的响应速度。
　　一般情况下，自适应控制具有比较明显的特征，即可变性，控制参数是变化的，而且需要遵守预设的规则；实时性，随时监控系统状态并判断误差变化情况；最优性，保证控制效果的最优化。与传统的闭环控制相比，自适应控制的优势在于控制参数的可变性。鉴于自适应控制的诸多优点，可将其应用于电动执行器中电机的控制。
　　常用的自适应控制方法包括模型参考自适应控制和自校正控制等，针对电动执行器常用的无刷直流电机，本文基于模型参考自适应理论设计了一种控制方法。介绍电动执行器的结构，建立无刷直流电机的数学模型，同时给出了控制参数自整定方法，并进行相关实验研究。
　　1 电动执行器结构及数学模型
　　1.1 电动执行器构成
　　电动执行器一般由主控单元、功率驱动单元、无刷直流电机、减速机构、电磁离合装置、输出轴以及相关传感器等构成。其中主控单元和功率驱动单元组成了电动执行器的控制系统。电动执行器结构如图1所示，主控单元负责信号采集、处理，同时生成控制信号，并将其传送至功率驱动单元；功率驱动单元负责接收控制信号并通过三相逆变器驱动无刷直流电机；无刷直流电机可将电能转化为机械能，是转速和位置输出单元；减速机构一般选用齿轮或涡轮蜗杆，可以增大转矩、降低转速或改变运动形式，能够将电机的旋转运动转化为所期望的运动规律，并将运动传递给输出轴，其减速比可以根据需求选择；电磁离合器用于控制输出的开通或关断；信号反馈单元主要负责电机电流的反馈控制以及输出轴位置和速度的反馈控制。

图1 电动执行器结构简图

　　1.2 无刷直流电机数学模型
　　无刷直流电机的转子为永磁体，定子为电枢绕组。为建立无刷直流电机的数学模型同时便于分析，本文作如下假设：电机内部气隙磁场是均匀的；不考虑磁滞损耗；磁路无饱和现象；定子三相绕组完全对称，结构上相差120°，各相参数一致。
　　电机的电压方程可描述：

　　式中：un，Rn，in，Ln，en（n=a，b，c）分别表示三相定子绕组的电压、电阻、电流、自感和反电动势；Lab，Lac，Lba，Lbc，Lca，Lcb分别表示三相定子绕组之间的互感；p为微分算子d/dt。
　　由上述假设条件可知，三相绕组完全对称而且定子、转子的参数恒定，则有：

（2）

（3）

（4）

　　另外，根据电路理论可得：ia+ib+ic=0，那么式（1）
　　可描述成如下形式：

（5）

　　无刷直流电机定子电磁转矩方程：

（6）

　　式中：ω表示转子机械角度。由上式可以看出，绕组电流和反电动势成正比，即可以通过控制绕组电流实现转矩的间接控制。根据无刷直流电机的工作原理，任意时刻定子绕组只有两相是导通的，因此电磁转矩方程可简写成如下形式：

（7）

　　式中：KT为电机转矩常数；Ia为电机转速。
　　电机反电动势可表示成：

（8）

　　式中：Ke为电机反电动势常数。另外，电机运动方程可表示：

（9）

　　式中：TL为电机负载转矩；J为电机转动惯量；B为电机阻力系数。
　　2 电动执行器自适应控制
　　模型参考自适应控制是一种比较典型而且应用广泛的控制方法。其基本原理为：根据被控对象和工艺要求设定控制需求；预先给定响应输入同时给出标准输出的参考模型；利用被控对象输出与参考模型输出之间的差值进行参数调节控制，尽量减小误差并使其趋近于零。采用梯度法实现模型参考自适应控制，其工作原理可描述为：假设被控对象为kpG（s），其中G（s）为传递函数且已知；kp为增益。定义输入信号为ξr，参考模型kmG（s）的标准输出为ξm。另外，设计一个增益可调控制器kc。系统控制规律如图2所示。

图2 系统控制规律框图

　　当系统控制状态达到最佳时，存在ξm=ξp，而且有：

（10）

　　式中：为理想状态下k的取值，此时参考模型与被控对象完全匹配。定义系统误差：

（11）

　　性能指标函数可选取如下方程式：

（12）

　　kc的变化方向应选择下降最快的方向，即J沿负梯度方向下降。对kc求导，则有：

（13）

　　式中：λ为调整步长且大于零；为敏感导数。
　　由图2可得系统输出误差的频域表达式：

（14）

　　其在时域对应的表达式：

（15）

　　考虑到ξm，ξp满足：

（16）

　　由式（16）可求得：

（17）

　　式（17）等式两侧对kc求偏导数，则有：

（18）

　　结合式（18）和式（13）可得：

（19）

　　式（19）则为梯度法控制规律。该控制方法结构简单、易于实现，但是其仅适用于线性时常非时滞系统。在实际应用中，电动执行器是一种时滞系统。对于电动执行器的控制系统，当参数变化较小时，通过闭环控制可以实现小干扰的精确控制；而当干扰或误差过大时，仅仅通过闭环控制无法实现系统的理想、最佳控制，此时就需要对控制参数进行整定。
　　以电动执行器定位控制的参数自整定为例，对于小干扰，利用位置闭环能够实现准确定位；当误差和干扰较大即负载变化较大时，仅仅依靠位置闭环，电动执行器很难正常工作，无法得到理想的定位效果。与位移相比，速度变化比较敏感。实际速度与理论速度之间的时滞效应容易导致较大的偏差，通过检测速度偏差，并利用该偏差判断电动执行器运行是否正常；同时设定比较阈值，当速度偏差大于阈值时，对速度增益进行调整。考虑速度增益自整定的电动执行器全闭环控制原理如图3所示。

图3 电动执行器全闭环控制原理框图

　　在系统中加入速度反馈控制，能够实时监测速度信号。如果速度偏差超过一定值，可快速进行相关调整，这样就可以提高系统的响应速度，避免出现严重的滞后。基于模型参考自适应理论，通过对比实际速度和理论速度得到速度偏差，进而调整速增益得到控制指令，控制驱动器生成新的脉冲信号，使驱动器准确、快速地到达目标位置。如此不但可以保证电动执行器正常运行，而且提高了系统的性能。但是在实际工作过程中，为获得最优增益，需要进行多次判断调整，即电动执行器控制参数的自动整定。
　　3 实验
　　3.1 硬件电路设计
　　无刷直流电机是电动执行器的驱动核心，本文基于STM32设计了相应的控制系统，其硬件电路如图4所示。控制系统主要包括：主控制板、微控制器、驱动器、传感器以及隔离、过温、过流保护等电路。其中，主控制板负责液晶显示、参数设定、故障报警等；微控制器基于STM32F2812芯片设计，具有处理速度快、精度高、接口丰富、易于实现等特点；驱动器选用IGBT；主控制板与直流电机驱动控制板通过modbus协议通信。PWM驱动信号经光耦隔离和放大处理后传送至驱动器；另外，本控制系统采用光耦隔离芯片，将低压电路和高压电路隔离，避免微控制器受高压电路的影响。同时该控制系统还具有比较完善的总线电压欠压和过压保护功能、电机过温保护、IGBT硬件过流保护、IGBT过温保护、错误保护功能等。针对电机的电流反馈控制，采用LEM系列霍尔电流传感器，通过CPU的ADC端口实现电流信号的采集，该传感器具有较高的测量精度及可靠性而且与高压端完全电气隔离。另外，为实现电动执行器的全闭环控制，通过HALL位置传感器对电机输出轴进行位置检测，通过上述算法不仅可以实现位置闭环控制而且可以实现速度增益的自整定控制。

图4 控制系统硬件电路图

　　3.2 实验分析
　　为验证所述控制方法和控制系统的可行性和有效性，本文进行了大量的实验测试。无刷直流电机主要参数如下：绕组相电阻2.5Ω；绕组电感8.1mH；空载转速9000r/min；额定转矩0.013N·m；极对数为2。
　　为保证实验顺利进行，通过手动调整，确定了0～11kg范围内不同负载所对应的最优速度增益，以确保电动执行器运动的精度速度增益与负载质量之间的对应关系如表1所示。

表1 速度增益与负载质量关系表

　　在实际应用中，系统需要根据速度实时反馈数值自动判断电动执行器运行状态。如果因负载变化或其他因素导致速度出现较大偏差，控制系统会立即调整速度增益，使电动执行器尽快恢复正常运动。在参数自整定全闭环定位控制下，当负载为6kg时，单次整定实验结果如图5所示。

图5 单次整定实验结果

　　由单次整定实验结果可以看出：控制系统中引入速度状态反馈后，能够快速响应速度异常情况；速度增益整定后，位移曲线并没有出现明显的停滞时间；速度调整明显加快而且调整时间适当提前；经过快速调整后，系统大幅降低且趋于稳定，使状态异常的系统可以继续工作，实现定位控制且满足定位精度的要求。
　　进一步实验，在参数自整定全闭环定位控制下，验证速度增益多次整定的功能。将负载质量由6kg增加到7kg，实验结果如图6所示。

图6 多次整定实验结果

　　由表1可知，工作负载为6kg时，对应的速度增益为0.8；载为7kg时，对应的速度增益为0.65。经过一次参数整定后，速度增益变为0.8，此时电动执行器能够正常运动。当负载增加为7kg时，单次整定已无法满足控制要求，所以系统需要继续整定。基于梯度法控制规律，系统经一次参数整定后，速度增益变为0.8，但是无法满足电动执行器正常工作的要求；通过二次整定，速度增益变为0.65，此时可确保电动执行器正常工作。由多次整定实验结果可知，结合自整定规律和预设的速度增益，基于本文所述控制方法和控制系统，可以保证电动执行器的定位精度以及调整的快速性，即每次参数整定的时间均比较短。
　　4 结语
　　电动执行器在工业领域的应用十分广泛，为解决基于无刷直流电机的控制问题，本文在以下方面展开了研究工作：介绍了电动执行器的基本结构，即由主控单元、功率驱动单元、无刷直流电机、减速机构、电磁离合装置、输出轴以及相关传感器等构成；建立了电动执行器核心驱动部件———无刷直流电机的数学模型，同时介绍了模型参考自适应控制的基本原理；给出了电动执行器硬件设计和全闭环控制方法，基于TMS320F2812设计了其控制系统；通过引入速度反馈实现了电动执行器的全闭环控制，同时给出了速度增益调整办法；实验结果表明，该控制系统可以提高电动执行器的响应速度、运动精度以及抗干扰能力。文中所述控制系统结构、模型参考自适应控制方法以及参数整定方法对电动执行器、无刷直流电机等领域的控制和应用研究具有一定的借鉴意义。

来源：调节阀信息网

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