對直流無刷電機的pid控制

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1、PID閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制（簡稱PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試無刷直流電機控制器的過程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對PID控制算法加以改進，關(guān)系到整個無刷直流電機控制器設(shè)計的成敗。2　速度設(shè)定值和電機轉(zhuǎn)速的獲取為在單片機中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得

2、到電機速度設(shè)定值（通過A／D變換器）和電機的實際轉(zhuǎn)速，這需要通過精心的設(shè)計才能完成。無刷直流電機的實際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機轉(zhuǎn)動過程中，通過霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。由圖2可知，電機每轉(zhuǎn)一圈，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波，且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比，因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間，可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度，則電機的實際轉(zhuǎn)速為：但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的，低速時采樣周期要長些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的

3、輸出，導致電機低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時間，但得增加額外的硬件開銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有較嚴格的要求，當霍爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差時，相鄰2個正脈沖的寬度不一致，會導致較大的測速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時，可采用增量式光電碼盤，但同樣會增加了電路的復雜性和硬件的開銷。電機速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行A／D（如ADS

4、7818）來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機調(diào)速的過程中，電機控制器的功率輸出部分會對A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進行抗干擾處理。3　非線性變速積分的PID算法（1）PID算法的數(shù)字實現(xiàn)離散形式的PID表達式為：其中：KP，KI，KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)；E（k），E（k－1）分別為第k次和k－1次時的期望偏差值；P（k）為第k次時調(diào)節(jié)器的輸出。比例環(huán)節(jié)的作用是對信號的偏差瞬間做出反應(yīng)，KP越大，控制作用越強，但過大的KP會導致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用雖然可以消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)出

5、現(xiàn)等幅振蕩，減小KI可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量，但會減慢系統(tǒng)的響應(yīng)過程。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但其對干擾敏感，不利于系統(tǒng)的魯棒性。（2）經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象當電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差的階躍，使｜E（k）｜增大，PID的輸出P（k）將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限Pmax，此時的實際控制量只能限制在Pmax，電機的轉(zhuǎn)速M（k）雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E（k）將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值，從而使得PID算式中的

6、積分項不斷地得到累積。當電機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值后，開始出現(xiàn)負的偏差，但由于積分項已有相當大的累積值，還要經(jīng)過相當一段時間后控制量才能脫離飽和區(qū)，這就是正向積分飽和，反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期（這一點單片機往往達不到），整定合適的PID參數(shù)；二是對PID算法進行改進，可以采用非線性變速積分PID算法。（3）變速積分的PID算法變速積分PID算法的基本思想是改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相適應(yīng)。偏差大時，減弱積分作用，而在偏差較小時則應(yīng)加強積分作用，為這時PID算法可改進為：f的值在0～1區(qū)間變化，當偏差大于A＋B時，證明此時

7、已進入飽和區(qū)，這時f＝0，不再進行積分項的累加；｜E（k）｜≤A＋B時，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達到最大值1。實際中A，B的值可做一次性整定，當A，B的值選得越大，變速積分對積分飽和抑制作用就越弱，反之越強。筆者的經(jīng)驗：取A＝30％［｜E（k）｜］MAX，B＝20％［｜E（k）｜］MAX為宜。論文數(shù)字PID算法在無刷直流電機控制器中的應(yīng)無刷電機有什么特點？優(yōu)點：a)電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍，代表了電動車的發(fā)展方向；b)屬靜態(tài)電機，空載電流小；c)效率高；d)體

8、積小。缺點：a)低速起動時有輕微振動，如速度加大換相