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數字PID算法在無刷直流電機控制器中的應用
數字PID算法在無刷直流電機控制器中的應用
直流無刷電機既具備交流電機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點,又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗及調速性能好等諸多優點,故其應用范圍及其廣泛,遍及國防、航空航天、醫療器械、家用電器、機器人等各個領域,其中光電位置跟蹤系統是其重要的應用領域之一。
傳統的PID控制以其實時性好、易于實現等特點廣泛應用于控制系統,只要正確設定參數,PID控制器便可實現其作用,但由于光電位置跟蹤系統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參數一般都是模糊不確定的,再加上被控電機的非線性和系統參數的時變性,此時PID的控制效果將難于達到預期的目標。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能力,其靈活性和魯棒性好,并且控制簡單,在電機控制領域應用非常廣泛,但模糊控制很難完全消除系統穩態誤差,一般情況下控制精度不理想。
通過仿真分析可以看出,模糊控制器以系統偏差和偏差變化率作為輸入,具有類似常規比例-微分的作用,可以獲得良好的動態特性,但其穩定性不能達到滿意效果。PID控制器中比例環節能加快動態響應,積分環節能消除靜態誤差,微分環節可加快系統響應,減小超調量,模糊PID控制器,將模糊控制的動態性能好的優點和PID控制的穩態精度高的優點結合起來,有效的提高了伺服系統的控制性能,對干擾和參數變化的適應性,既保證系統運動控制的準確性和穩定性,又縮短動態調整時間,對直流無刷電機取得了較好的控制效果。
對直流無刷電機轉速的控制即可采用開環控制,也可采用閉環控制。與開環控制相比,速度控制閉環系統的機械特性有以下優越性:閉環系統的機械特性與開環系統機械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉速相同時,閉環系統的靜差率(額定負載時電機轉速降落與理想空載轉速之比)要小得多;當要求的靜差率相同時,閉環調速系統的調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,電路設計簡單,運算速度快,可實現復雜的速度控制算法,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,但只要采用適當的速度控制算法,依然可以達到較高的控制精度,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,集成了轉子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調制電路(PWM)、功率輸出驅動電路、限流電路,可以實現直流無刷電機速度開環系統的全部控制功能。系統中采用了一片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型場效應管組成的功率驅動電路,無刷電機控制邏輯和保護由MC33035完成,單片機用來完成轉速設定值的獲取、轉速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現。
閉環速度調節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。PID調節器控制結構簡單,參數容易整定,不必求出被控對象的數學模型,因此PID調節器得到了廣泛的應用。
PID調節器雖然易于使用,但在設計、調試直流無刷電機控制器的過程中應注意:PID調節器易受干擾、采樣精度的影響,且受數字量上下限的影響易產生上下限積分飽和而失去調節作用。所以,在不影響控制精度的前提下對PID控制算法加以改進,關系到整個直流無刷電機控制器設計的成敗。