数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用

直流无刷电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点,故其应用范围及其广泛,遍及国防、航空航天、医疗器械、家用电器、机器人等各个领域,其中光电位置跟踪系统是其重要的应用领域之一。

 
    传统的PID控制以其实时性好、易于实现等特点广泛应用于控制系统,只要正确设定参数,PID控制器便可实现其作用,但由于光电位置跟踪系统的给定位置信号一般都是模糊不确定的,在加上被控电机的非线性和系统参数一般都是模糊不确定的,再加上被控电机的非线性和系统参数的时变性,此时PID的控制效果将难于达到预期的目标。而模糊控制对控制对象的非线性、时变性等具有较强的适应能力,其灵活性和鲁棒性好,并且控制简单,在电机控制领域应用非常广泛,但模糊控制很难完全消除系统稳态误差,一般情况下控制精度不理想。
 
    通过仿真分析可以看出,模糊控制器以系统偏差和偏差变化率作为输入,具有类似常规比例-微分的作用,可以获得良好的动态特性,但其稳定性不能达到满意效果。PID控制器中比例环节能加快动态响应,积分环节能消除静态误差,微分环节可加快系统响应,减小超调量,模糊PID控制器,将模糊控制的动态性能好的优点和PID控制的稳态精度高的优点结合起来,有效的提高了伺服系统的控制性能,对干扰和参数变化的适应性,既保证系统运动控制的准确性和稳定性,又缩短动态调整时间,对直流无刷电机取得了较好的控制效果。
     对直流无刷电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流无刷电机的速度控制方案如图1所示。
   直流无刷电机控制器可采用电机控制专用DSP(如TI公司的TMS320C24X系列、AD公司的ADMCxx系列),也可采用单片机+直流无刷电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高,电路设计简单,运算速度快,可实现复杂的速度控制算法,但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的直流无刷电机控制器。后者虽然运算速度低,但只要采用适当的速度控制算法,依然可以达到较高的控制精度,适合于小功率低成本的无刷直流电机控制器。
  摩托罗拉公司的第二代直流无刷电机控制专用集成电路MC33035,集成了转子位置传感器译码器电路、脉宽调制电路(PWM)、功率输出驱动电路、限流电路,可以实现直流无刷电机速度开环系统的全部控制功能。系统中采用了一片MC33035、一片低成本的单片机AT89C2051、串行输入A/D、串行输出D/A以及由MOSFET型场效应管组成的功率驱动电路,无刷电机控制逻辑和保护由MC33035完成,单片机用来完成转速设定值的获取、转速反馈的实时采样以及速度控制算法的实现。
  闭环速度调节器采用比例积分微分控制(简称PID控制),其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单,参数容易整定,不必求出被控对象的数学模型,因此PID调节器得到了广泛的应用。
  PID调节器虽然易于使用,但在设计、调试直流无刷电机控制器的过程中应注意:PID调节器易受干扰、采样精度的影响,且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以,在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进,关系到整个直流无刷电机控制器设计的成败。
   


发布时间: 2019-05-04 09:18:30 <<返回列表