直流無刷電機轉(zhuǎn)速控制.docx

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1、一、直流無刷電機轉(zhuǎn)速控制1.模擬PID控制1.1模擬PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，最常用的控制器就是模擬PID控制器。以下圖所示直流電機控制系統(tǒng)為例，說明PID控制器控制電機轉(zhuǎn)速的原理。圖中為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，為轉(zhuǎn)速反饋值，為偏差信號，偏差信號通過PID控制器后產(chǎn)生控制作用作用于直流電機從而控制電機轉(zhuǎn)速到設(shè)定值。常見的模擬PID控制系統(tǒng)如下圖所示。PID控制器由比例、積分、微分的線性組合構(gòu)成?？刂埔?guī)律如下：*其中：——控制器的比例系數(shù)——控制器的積分系數(shù)——控制器的微分系數(shù)1)比例部分比例部分的數(shù)學(xué)表達式：。比例部分的作用是對偏差信號做出快速反應(yīng)，一旦控制器

2、檢測到偏差，比例部分就能迅速產(chǎn)生控制作用，且偏差越大，控制作用越強。但僅存在比例控制的系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)偏差。比例系數(shù)越大，響應(yīng)越快，過渡越快，穩(wěn)態(tài)偏差也越小，但系統(tǒng)也越不穩(wěn)定，因此比例系數(shù)必須選擇恰當。2)積分部分積分部分的數(shù)學(xué)表達式：。從積分部分表達式可以看出，只要系統(tǒng)輸出與設(shè)定值存在偏差，積分作用就會不斷增加，知道偏差為零，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)偏差。但積分作用會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越小，積分作用越強，過渡過程容易產(chǎn)生震蕩，但回復(fù)時間減??；積分常數(shù)越大，積分作用越弱，過渡過程不產(chǎn)生震蕩，但回復(fù)時間增長。因此應(yīng)根據(jù)具體情況選取積

3、分常數(shù)。1)微分部分微分部分的數(shù)學(xué)表達式：。微分作用能阻值偏差的變化。它根據(jù)偏差的變化趨勢進行控制。偏差變化越快，微分作用越強，能在偏差變化之前就行控制。微分作用的引入有助于減小超調(diào)量，克服振蕩；但微分作用對噪聲很敏感，導(dǎo)致系統(tǒng)的錯誤響應(yīng)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為實現(xiàn)PID控制器的軟件實現(xiàn)，將式*進行適當離散化，即離散PID。1.數(shù)字PID控制2.1位置式PID算法離散化處理的方法是，以T為采樣周期，對模擬信號進行采樣，以k為采樣序列號，進行以下近似：將上式帶入式*，得到如下式所示的位置式離散PID控制規(guī)律。**由于位置式PID要對t時刻之前的所有輸出進行記錄，

4、工作量大，對計算機硬件要求高。增量式PID可避免這些。2.2增量式PID算法由式**得到將式**與上式相減，得到增量式PID控制規(guī)律如下***一旦得出控制作用的增量，就可遞推得出當前控制作用的輸出。2.3控制器參數(shù)整定1)離線整定法步驟1：將控制器從“自動”模式切換至“手動”模式（此時控制器輸出完全由人工控制），人為以階躍方式增大或減少控制器輸出，并記錄控制器相關(guān)的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。步驟2：由階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)估計特性參數(shù)K,T,τ。步驟3：按經(jīng)驗公式設(shè)定PID參數(shù)Kc、Ti、Td，并將控制器切換至“自動”模式。步驟4：根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)情況，增大或減少控制

5、器增益Kc直至滿意為止。獲取PID參數(shù)的方法：Ziegler-Nichols法：控制器類型KcTiTdP0PI0PID上述整定規(guī)則僅限于。Lambda法：控制器類型KcTiTd取值P0PI0PID上述整定規(guī)則不受的限制。1)在線整定法步驟1：將在線閉環(huán)運行的控制器，完全去除積分作用與微分作用（Ti=最大值，Td=0）成為純比例控制器，并設(shè)置較小的Kc值。步驟2：施加小幅度的設(shè)定值或擾動變化，并觀察CV的響應(yīng)曲線。步驟3：若CV的響應(yīng)未達到等幅振蕩，則增大Kc（減少比例帶PB）；若CV響應(yīng)為發(fā)散振蕩，則減少Kc。重復(fù)步驟2。步驟4：重復(fù)步驟3，直至產(chǎn)生等幅

6、振蕩。獲取PID參數(shù)的方法：Ziegler-Nichols法：控制器類型KcTiTdP0PI0PID1.仿真結(jié)果3.1軟件截圖用MATLAB強大的GUI功能編寫軟件控制窗口如下所示?？梢詫崿F(xiàn)串口通信初始化，啟動關(guān)閉電機并顯示速度波形等基本功能。圖軟件運行時的截圖圖速度設(shè)定值從10cm/s階躍到15cm/s時軟件截圖3.1速度波形曲線采用離線PID參數(shù)整定法，得到的開環(huán)速度曲線如下圖所示。圖開環(huán)速度曲線其中控制作用（PWM占空比從0變化至1.0），由開環(huán)速度曲線得到該控制對象特性如下：采用PI控制，用ZN法整定參數(shù)，由離線Ziegler-Nichols法得

7、到P、I、D參數(shù)如下：在該PID參數(shù)下得到的速度曲線如下圖所示：圖ZN法整定PID參數(shù)得到的速度曲線從圖中看出，速度輸出在10cm/s附近做等幅震蕩，需要小幅度調(diào)整PID參數(shù)以得到合適的曲線。通過上述PID參數(shù)整定方法，當采樣周期為10ms時，得到系統(tǒng)合適的PID參數(shù)如下：在該參數(shù)下得到的速度波形曲線如下所示：圖設(shè)定值為10cm/s時的速度波形曲線圖設(shè)定值為15cm/s時的速度波形曲線圖設(shè)定值從10cm/s階躍到15cm/s時的速度波形曲線從上述仿真結(jié)果看出，PID控制器能夠快速將速度控制到設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)偏差為0，超調(diào)量合適，過渡時間迅速。