電機驅(qū)動及PID算法

1、一、直流電機轉(zhuǎn)速（開環(huán)）控制方法改變加到直流電機電樞兩端的直流驅(qū)動電壓， 即可改變電機的轉(zhuǎn)速；改變該 驅(qū)動電壓的極性，即可改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。使用 PWM（脈寬調(diào)制）方法，可以 方便地改變加給電機電樞的平均電壓的大小，其基本原理可由圖 1說明。設(shè)Ui 是三極管基極的控制電壓，Um為電機兩端的直流電壓，它們的波形如圖2所示， 在一個周期T內(nèi)，它的平均電壓Um為Um=乙 '展" 令'、=D，稱矩TT形波的占空比，可知，改變控制信號的占空比就可以改變電機的轉(zhuǎn)速。圖1、直流電機的正反轉(zhuǎn)控制電路即能改變電機旋轉(zhuǎn)方向；方案之一是使用直改變加給電樞的直流電壓極性，流繼電器來改變供電

2、極性，另一種方案使用兩組晶體三極管構(gòu)成切換電路，圖 3示出電路之一,圖3其工作原理簡述如下：當(dāng)A=1（高電平）：則B=0 tTi導(dǎo)通TT2導(dǎo)通；C=1 TT3截上tT4截上；丁是電流ii流經(jīng)由機M的路徑為：UcctM tT2T地，電機正轉(zhuǎn)若A=0（低電平）：則B=1 tTi截上tT2截上；C=0 TT3導(dǎo)通tT4導(dǎo)通；丁是電流i2的流徑電機M的路徑為：UcctT3T M tT4T地，電機反轉(zhuǎn)其工作原理簡述如下：當(dāng)A=1 : WJ B=0 tTi截上 tT2導(dǎo)通C=1 T T4導(dǎo)通T T3截上丁是電流i流徑電機M的路徑為：VcctT2TM tD2TT4T地，電機正轉(zhuǎn)當(dāng)A=0 : 則B=1 t T

3、1導(dǎo)通 tT2截上C=0 TT4截上 TT3導(dǎo)通丁是電流i2流徑電機M的路徑為：VcctT3TM tDtTt地，電機反轉(zhuǎn)以上兩個電路，以圖4為例，在T1、T4的控制輸入端B、C處分別加入一 個與門（或者與非門）引入PWM信號，則可以把正反轉(zhuǎn)控制和 PWM調(diào)整控制結(jié) 合起來。三、整形電路為使不規(guī)范脈沖波形的前后沿陡峭， 并使其幅值規(guī)范為某一定值，須使用整 形電路。通常，使用滯回比較器構(gòu)成整形電路，它具有抗干擾能力強等特點，在 一些簡單應(yīng)用中，也可以使用簡單的單閾值比較器。還有一種簡單的方法就是使 用一級反相器進(jìn)行整形，如果必須保質(zhì)脈沖的極性不變而不是僅僅得到邊沿， 就 再加一級反相器進(jìn)行倒相。下

4、圖是使用通用運放整形的一個例子。四、閉環(huán)控制算法要使電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一預(yù)定的轉(zhuǎn)速，需要隨時監(jiān)測 （采樣）電機的轉(zhuǎn)速并 與預(yù)定值（設(shè)定值）相比較，根據(jù)比較為結(jié)果來不斷調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，使之盡量接 近設(shè)定值，這一過程稱為閉環(huán)反饋控制，其控制方法 （控制策略）稱為控制算法， 控制算法可以有多種多樣，其中典型的一種算法叫做PID（比例一積分一微分）算法（或PID控制）。PID控制有連續(xù)PID控制和數(shù)字PID控制兩種，前者由模擬電子線路構(gòu)成， 不含智能元件（單片機），后者以微計算機為核心構(gòu)成。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的組成 如圖6框圖所示。數(shù)字PID控制常常采用增量PID算法，表達(dá)式如下：y(k)=y(k-1)

5、+ y(k)其中y(k)第k次輸出的控制(信號)值y(k-1)前一次輸出的控制(信號)值 y(k)輸出增量(可為正、負(fù)數(shù)) y(k)=kpe(k)-e(k-1)+ki e(k)+kDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中：kp比例系數(shù)ki積分系數(shù)kD一微分系數(shù)e(k)：第k次采樣時的偏差值(采樣值與設(shè)定值之差)e(k-1):第k-1次采樣時的偏差值(采樣值與設(shè)定值之差)e(k-2):第k-2次采樣時的偏差值(采樣值與設(shè)定值之差)上式中有kp ki Kd 3個系數(shù)需要確定，在實際應(yīng)用中具有難度，根據(jù)前人的研 究，可采用如下的簡化了的經(jīng)驗公式： y(k)=kp2.45e(k)-3.5e(k-1

6、)+1.25e(k-2),這樣就只有一個系數(shù) Kp,容易在實驗 中調(diào)整確定。五、閉環(huán)控制性能評價1、最大超調(diào)量(T %指系統(tǒng)在響應(yīng)的動態(tài)過程中，輸出最大值Cmax超過穩(wěn)態(tài)值(或設(shè)定值)的白分?jǐn)?shù)。C max -C (°°)C(二)X100%式中C(8 )輸出穩(wěn)態(tài)值(可用設(shè)定值近似)2、上升時間tr從t=0開始，系統(tǒng)輸出量上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。3、調(diào)節(jié)時間tso從t=0開始，系統(tǒng)輸出量與穩(wěn)態(tài)值之差不再超過規(guī)定誤差 （取2%5%）所需的 時間。4、延遲時間td:從t=0開始，輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。5、峰值時間tp從t=0開始，輸出值上升到第一個峰值所需的時間。6、穩(wěn)態(tài)誤差：當(dāng)t T 8時，系統(tǒng)輸出值與期望值（設(shè)定值）之間的誤差。閉環(huán)反饋控制過程響應(yīng)曲線如圖 7所示。0.5Cmaxtd tr tp1六、電機轉(zhuǎn)速的測量使用光電耦合或者霍爾電路可以得到脈沖， 對脈沖計數(shù)（測頻）可知電機的 轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向，具體方法自己查閱資料。七、實