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數(shù)字PID算法在無刷直流電機控制器中的應(yīng)用
數(shù)字PID算法在無刷直流電機控制器中的應(yīng)用
直流無刷電機既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，故其應(yīng)用范圍及其廣泛，遍及國防、航空航天、醫(yī)療器械、家用電器、機器人等各個領(lǐng)域，其中光電位置跟蹤系統(tǒng)是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。
傳統(tǒng)的PID控制以其實時性好、易于實現(xiàn)等特點廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，只要正確設(shè)定參數(shù)，PID控制器便可實現(xiàn)其作用，但由于光電位置跟蹤系統(tǒng)的給定位置信號一般都是模糊不確定的，在加上被控電機的非線性和系統(tǒng)參數(shù)一般都是模糊不確定的，再加上被控電機的非線性和系統(tǒng)參數(shù)的時變性，此時PID的控制效果將難于達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。而模糊控制對控制對象的非線性、時變性等具有較強的適應(yīng)能力，其靈活性和魯棒性好，并且控制簡單，在電機控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但模糊控制很難完全消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，一般情況下控制精度不理想。
通過仿真分析可以看出，模糊控制器以系統(tǒng)偏差和偏差變化率作為輸入，具有類似常規(guī)比例-微分的作用，可以獲得良好的動態(tài)特性，但其穩(wěn)定性不能達(dá)到滿意效果。PID控制器中比例環(huán)節(jié)能加快動態(tài)響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)能消除靜態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，模糊PID控制器，將模糊控制的動態(tài)性能好的優(yōu)點和PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點結(jié)合起來，有效的提高了伺服系統(tǒng)的控制性能，對干擾和參數(shù)變化的適應(yīng)性，既保證系統(tǒng)運動控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，又縮短動態(tài)調(diào)整時間，對直流無刷電機取得了較好的控制效果。
對直流無刷電機轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。直流無刷電機的速度控制方案如圖1所示。
直流無刷電機控制器可采用電機控制專用DSP（如TI公司的TMS320C24X系列、AD公司的ADMCxx系列），也可采用單片機＋直流無刷電機控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計簡單，運算速度快，可實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，但由于DSP的價格高而不適合于小功率低成本的直流無刷電機控制器。后者雖然運算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴ǎ廊豢梢赃_(dá)到較高的控制精度，適合于小功率低成本的無刷直流電機控制器。
摩托羅拉公司的第二代直流無刷電機控制專用集成電路MC33035，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、功率輸出驅(qū)動電路、限流電路，可以實現(xiàn)直流無刷電機速度開環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。系統(tǒng)中采用了一片MC33035、一片低成本的單片機AT89C2051、串行輸入A／D、串行輸出D／A以及由MOSFET型場效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路，無刷電機控制邏輯和保護(hù)由MC33035完成，單片機用來完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現(xiàn)。
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(xué)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)試直流無刷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(jìn)，關(guān)系到整個直流無刷電機控制器設(shè)計的成敗。
