一文读懂直流电机控制算法
发布日期： 2024-03-14 | 作者：直流减速电机
通常我们在控制小车运动的时候不知道怎么精确的对小车轨迹来控制。在不懂得小车控制算法精髓的时候，我们是无法对小车进行精确的控制的。目前绝大多数小车都是用PID控制算法来实现对小车的运动控制的。现在很多玩家就只知道一种调节方法，就是比例调节，即向左偏就向右调节，向右偏就向左调节，最容易想到，也是最容易用软硬件实现的，但是结果也是最容易出问题的。当时的感觉就是小车太灵敏了，忽左忽右，不是很稳定。后来查了资料后知道了其他的调节方式。
电机控制算法的作用是接受指令速度值，通过运算向电机提供适当的驱动电压，尽快地和尽快平稳地使电机转速达到指令速度值，并维持这个速度值。换言之，一旦电机转速达到了指令速度值，即使在各种坏因(如斜坡、碰撞之类等使电机转速发生明显的变化的因素)的干扰下也应保持速度值不变。为了更好的提高机器人小车控制管理系统的控制精度，选用合适的控制算法显得十分必要。控制算法是任何闭环系统控制方案的核心，然而并非越复杂、精度越高的算法越好，因为比赛要求非常高的实时性，机器人必须在非常短的时间内作出灵敏的反应，所以现代的一些先进控制算法，比如模糊控制、神经元网络控制等就不可以应用到小车控制管理系统里。本系统选用了最常规、最经典的PID控制算法，通过实际应用取得了很好的效果。下图是PID控制原理结构图。
控制回路中的第一个偏差转换环节就是比例项。这一环节简单地将偏差信号乘以常数K 得到新的CV值(值域为-100~100)。基本的比例控制算法如下：
上一段程序中的SetPWM()函数并非将CV值作为绝对的PWM占空比来对待。否则，不断降低的偏差值会使输出值接近零，而且由于电机工作时需要持续的PWM信号，控制管理系统将会使电机稳定在低速运转状态上，因此导致控制管理系统策略失败。
相反，CV值一般被取作当前PWM占空比的改变量，并被附加到当前的PWM占空比上。这也要求SetPWM()函数必须将相加后得到的PWM占空比限制在0%~100%。正的CV值将使电机两端电压增加。负的CV值将使电机两端电压降低。如果CV值等于0，则无需改变但前占空比。较低的K 值会使电机的速度响应缓慢，但是却很平稳。较高的K 值会使速度响应更快，但是却可能会引起超调，即达到稳定输出前在期望值附近振荡。过高的K 值会导致系统的不稳定，即输出不断震荡且不会趋于期望值。
积分正好与微分相对。假如有一个描述变化率(微分)的表达式，那么对该表达式的积分就将得到随时间变化的原物理量。如加速度的积分是速度，速度的积分是位移。
在PID控制回路中，偏差的积分代表从控制开始时算起所有偏差积累的总和。该总和被常数K 所乘后再添加到回路输出中。在回路中，假如没有积分环节，尽管控制管理系统也会趋于稳定，但是由于某一些原因输出值可能最终也无法达到SP值。
由于积分项会慢慢的变大，这就会使控制回路在SP值的改变时响应变慢，某些应用场合在CV值达到取值边界(如为：-100~100)时会停止累加Isum。在SP值改变时，也可以除去Isum项。
任何变量的微分项被用来描述该变量是如何相对于另一个变量(多位时间)变化的。换句话说，任何变量的微分项就是它随时间的变化率。如位移随时间的变化率是速度。速度相对于时间的微分是加速度。
在PID控制器中，值得关心的是偏差信号相对于时间的微分，或称变化率。绝大多数控制器将微分项定义为：
式中，E为当前偏差，E 为前次偏差值，T为两次测量的时间间隔。负的变化率表明偏差信号的改善。当微分项被具体应用于控制器中时，将一个常数乘以该微分项，并将它加到比例项上，就能够获得最终的CV值计算公式：
当偏差信号接近零时，CV值将为负，所以当偏差信号开始改善时，微分项的作用将逐渐减弱校正输出量。在某一些场合下，微分项还有利于超调量的消除，并可以允许使用较大的K 值，从而能够改善响应的快速性。微分环节还预示了偏差信号的变化趋势。当控制对象对控制器的输出响应迟缓时，微分环节的作用尤为明显。
在整定PID控制器参数时，能够准确的通过控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员通常能较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。
为了减少需要整定的参数，首先能够使用PI控制器。为了能够更好的保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以防止系统不稳定或超调量过大的不正常的情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形能够得到系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。
如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。
反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，能加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。
总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是很重要的，也是必须的。
试凑法就是人工选择PID参数，使控制管理系统响应达到预定要求，这种方法既简单又复杂，说简单是，如果你有经验和运气的话，那么在SIMULINK中，可能很快就达到了目标，说难的是，在现场实战中，可能费了很大时间和精力来调整三个参数，也没有完成任务。
临界比例度法就是仅在P作用下，调整比例度使系统等幅振荡，然后根据公式算出PID值，效果如图1所示，图中左半部分是系统等幅振荡，右半部分是控制效果。下图是通过MATLAB仿真的PID临界比例度法控制的曲线 PID临界比例度法控制的曲线）衰减曲线法
衰减曲线法 就是仅在P作用下，调整比例度使系统响应曲线比率衰减，然后根据公式算出PID值，效果如图2所示，图中左半部分是系统衰减曲线，右半部分是控制效果。下图是通过MATLAB 仿真的PID衰减曲线法控制的曲线 PID衰减曲线）反应曲线法
反应曲线法就是在开环状态下，加阶跃信号，然后用一阶加纯滞后系统逼近原系统，然后根据由Z-N或C-C公式算出PID值，效果如图3所示，图中左半部分是系统 响应曲线 ， 右半部分是控制效果。图4是一个三阶系统，临界比例度法 求得的有关参数。下图是通过MATLAB 仿真的PID反应曲线法控制的曲线 PID反应曲线法控制的曲线
一、 概述 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor以下简称PMBLDC)由于其固有的特点，在家用消费类产品和IT周边产品中得到普遍的应用。永磁无刷直流电机性能的发挥，除电机本身的设计以外，还要靠驱动技术和实现这一驱动技术的驱动板来保证。永磁无刷直流电机的驱动板的核心器件应是带多路(6路以上)PWM输出的嵌入式微控制器。由于目前国内对INTEL MCS-51系列单片机的应用有了广泛基础，我们选用了完全采用8031核，最高时钟频率可达40MHz的Infineon C504 嵌入式微控制器。 二、 C504
的微控制器C504 /
使用PWM输出方式驱动有刷直流电机：损耗的思路 由于PWM驱动是脉冲驱动，因此其功耗仅是一个周期内电机的电压施加（导通）期间的功耗和电流再生（关断）期间的功耗的平均值。严格来讲，如下图所示，可以分电压施加期间（红色）、电流再生期间（蓝色）和转换期间（黄色）三种状态的功耗来考虑。通常，稳态期间的损耗为传导损耗，开/关转换期间的损耗为开关损耗。 ●施加电压期间的功耗 （a）图显示了施加电压时的开关（MOSFET）状态。由于电流流过两个MOSFET导通的路径，因此这里的损耗为导通的MOSFET的导通电阻之和×电流的平方。 ●电流再生期间的功耗 如上一篇文章中所述，有四种电流再生的方法，并且电流路径不同损耗也不同。 在（b）和（e
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在使用ROS机器人构建地图的过程中，需要在房间内自主运行，采集地图信息。这样的一个过程中需要控制电机的正反转，电机的转速，以适应机器人直行，转弯等动作。 正反转控制原理有刷电机的正反转格外的简单，只需要交换电机供电线正负极，便能轻松实现电机正反转控制。在自动控制系统中，我们不可能手动去不停交换电机正负极供电顺序，需要用程序配合硬件电路去实现。 如下图所示，使用4个功率管（可以为MOS管或者IGBT）搭建成桥式电路，在桥臂中心引出两根导线，连接到电机的供电引脚上。 当使用单片机控制Q2,Q3导通，Q1,Q4截止时。电流经过过电源正极，经过Q3，电机线流到GND。假设这种状态时电机正转。 当使用单片机控制Q1,Q4导通
控制原理与驱动电路 /
目录 1）功能概述 2）引脚连接 3）框架介绍 4）模块说明 5）复用规则 6）工程链接 1）功能概述 名称：独立按键控制直流电机调速 内容：对应的电机接口需用杜邦线个按键分别加速和减速; 采用8个8段数码管的后两位显示0~10级速度; 2）引脚连接 P3连接按键；P0连接8x八段数码管，P22段码锁存，P23位码锁存；P1.1连接ULN2003的一个输入；直流电机端连接ULN2003对应的输出，另一端连接VCC。 3）框架介绍 本文最大的目的不是介绍怎么来实现功能，而是如何做一种方便复用和理解的框架。如下图左
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温度控制对于大型工业和日常生活等领域都具有广阔的应用前景。很多应用领域，需要精度较高的恒温控制，例如，根据外界变化，随时调节相应的LED亮度以达到所需色温值，能轻松实现更好的照明和装扮修饰的效果。在连续控制系统中，对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制是一种较好的操控方法。本文主要是采用数字PID控制，通过单片机PID控制算法的程序实现。 1 数字式定时温控系统 本文研制的数字式定时温控系统主要完成数据采集，温度、定时的显示，温度控制，温度定时的设定以及报警等功能。核心控制器由单片机完成，采用数字PID控制算法进行过程控制。加热器件选用热惯性小，温度控制精度高，速度快的电热膜，由单片机输出通断率控制信号进行控
在温控系统中的应用 /
伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，能轻松实现很复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检验测试保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。 首先功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动交流伺服电机。功率驱动单元的整一个完整的过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程，整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。 **◆ ◆ ◆ ◆ ◆
1 引言 现场总线技术的发展使得控制管理系统在由封闭走向开放的进程中迈进了一大步。以现场总线为基础的开放式控制系统开始步入封闭的DCS系统，成为过程控制的发展趋势。FF（基金会现场总线）现场总线是一种全数字、串行、双向通信网络，同时也是一种专门针对过程自动化领域的应用而设计的现场总线，所以其在设计之初就最大限度地考虑了过程自动化领域的一些特点，比如总线、供电、本质安全，以及较高的实时性要求等。我国在FF总线技术探讨研究以及符合FF协议的现场设备产品研究开发方面己经取得了长足的进步，如中科院沈阳自动化研究所研制出了各种基金会现场总线产品，例如压力变送器、温度变送器，以及主机接口卡和通信栈软件等。在DCS时代，先进控制已被证明可以为企业获得巨大的
摘要：设计了以 TMS320F2812 DSP芯片为核心的无刷直流电机伺服控制管理系统。采用电流环，速度环，位置环三闭环控制，对位置环采用积分分离的PID算法，以减小电机在运行过程中积分校正对系统动态性能的影响。为加快系统响应速度，减轻DSP负担，电流环采用模拟方法实现。实际应用表明该系统具有精度高，响应快，稳定性高等优点。 关键词：伺服系统；TMS320F2812DSP；三闭环控制；PID算法 O 引言 无刷直流电机(简称BLDCM)是一种用电子换向器取代机械电刷和机械换向器的新型直流电动机，具有结构相对比较简单，调速性好，效率高等优点，目前已得到广泛应用。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制
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（BLDC）控制
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