无刷直流电机PID调节参数整定研究

《装备制造技术｝２０１４年第９期　无刷直流电机ＰＩ　Ｄ调节参数整定研究　高慧敏。桂天真，崔儒飞。刘红平　（长安大学工程机械学院，陕西摘西安　７１００６４）　要：无刷直流电机因其具有结构简单，运行可靠，维护方便等诸多优点，又继承了传统直流电机的运行效率高、调速　性能好的优点，故在生产和生活的各个领域内有着广泛的应用。目前大多数无刷直流电机速度控制系统都采用速度电　流双闭环控制，常采用的控制算法是ＰＩＤ控制，此控制方式算法简单，且其控制效果稳定性高、鲁棒性好。在概括了无　刷直流电机的控制策略后，介绍了ＰＩＤ控制算法的原理，最后对无刷直流电机ＰＩＤ控帝】器参数的整定做了详细阐述。　关键词：无刷直流电机；控制策略；ＰＩＤ控制；参数整定　中图分类号：Ｕ４６３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－５４５Ｘ【２０１４ｌ０９—０２８９－０２　在日常生产和生活中，电动机的作用及其重要　性是无可取代的。而电动机中的无刷直流电机因其　既拥有有刷直流电机优良的调节性能和调节性能，　又避免了机械换相造成的磨损、可靠性差、寿命短等　缺点，被广泛应用于现代生活的各种场合。从无刷直　流电机诞生之日起，对其的控制就一直是各国研究　和关注的重点。目前无刷直流电机采用速度和电流　双闭环控制的控制策略，其中电流和速度的控制常　选用原理最简单、应用最广泛的ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制　参数的整定是ＰＩＤ控制的核心，其参数关系到无刷　直流电机的控制性能和控制效果。本文介绍了无刷　直流电机控的制策略和控制器常用的ＰＩＤ控制算法　的原理，并对ＰＩＤ控制器参数的选择做了详细阐述。　简单、可操作性强和鲁棒性好，成为了无刷直流电机　最常选用的控制算法。在速度和电流控制器中，比例　项（Ｐ）、积分项（Ｉ）和微分项（Ｄ）通过线性组合，输出　的控制量对无刷直流电机进行控制。ＰＩＤ算法中控制　规律为：　ｔ　Ｊ．，．、　（　）＝后　【ｅ（　）＋１　ｆ　ｅ（ｔ）ｄｔ＋　蔓　】　ｄｔ　ｉ　式中，ｕ（ｔ）为控制器的输出；｜ｉＩ　为比例系数；ｅ（￡）　为转速给定值或电流给定值与系统的实际输出值之　间的偏差信号；　为积分时间常数；　为微分时间常　数。ＰＩＤ算法中，各环节有不同的作用。比例环节可线　性表达控制器的偏差值ｅ（ｔ），控制器会根据偏差值　对系统产生控制效果，使系统的输出与输人的给定　值之间的偏差值越来越小。积分环节能够减小系统　１　无刷直流电机控制策略　的静态误差，提高系统精度。积分作用的由积分时间　　越大，积分作用越弱，反之则越强。微　无刷直流电机速度控制系统采用电流和速度双　常数　决定，闭环控制的控制策略，通过改变对逆变器的供电电　分环节能反应出偏差值变化的快慢，可对系统的调　　压，实现对无刷直流电机速度调节的目的。系统中的　节时间和上升时间进行调节。实际应用中，无刷直流电机控制系统一般采用　转速和电流两控制器串行连接，将给定的转速值和　Ｄ的增量形式，即增量式ＰＩＤ。在增量ＰＩＤ控　检测得到的实际转速值输人到转速控制器中，速度　离散ＰＩ系统的输出只跟最近三次采样值有关，不需要　控制器调节这二者的偏差信号，输出电流给定值，实　制中，际的电流值与给定的电流值相比较作为电流控制器　对系统所有的偏差值进行储存和累加，大大缩短了　也减小了使用的内存。　的输入，经过电流控制器调节，输出控制信号，该信　控制时间，号通过ＰＷＭ控制给驱动电路逆变器提供电压。采用　Ｄ控制器参数整定　这种具有反馈的速度、电流环双闭环控制方式，能够　３无刷直流电机ＰＩ实现无刷直流电机转速精确的控制。　系统的控制效果往往是由控制器的参数决定，　２　ＰＩＤ控制算法　只有当控制器的参数调整到一定合适的值时，系统　才能既保持着良好的稳定性，又具有较高的准确性。　ＰＩＤ算法是一种经典有效的控制算法，因其算法　无刷直流电机控制器有效的参数整定步骤为：　收稿日期：２０１４—０６—２１　作者简介：高慧敏（１９８９一），女，汉族，山西朔州人，在读硕士，研究方向：机械电子工程。　２８９　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．９，２０１４　比例、积分、微分控制作用是相互关联的，参数　的调整必须考虑不同时刻各个参数的作用以及相互　照先整定比例系数，再整定积分参数，最后整定微分　之间的互联作用。综合各环节的调节性能，调整各参　参数的顺序进行。增量ＰＩＤ参数的整定可按连续性　数，直到获得满意的控制结果。　ＰＩＤ参数整定的方法。　ＰＩＤ控制器参数整定方法主要有两种。一是理论　４总结　计算整定法。它主要是以系统的数学模型为基础，经　过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计　在各种工业控制器中，ＰＩＤ控制器以其简单而有　算数据通常没有实用性，必须通过工程实验进行调　效的特点在控制界一直占据很重要的位置。在无刷　整和修改。二是经验整定方法，它主要依靠人们的经　直流电机控制中，如何得到更优的ＰＩＤ控制器参数　验，直接进行参数的整定，其方法简单、易于掌握，由　直是大家关注最多的问题，因为ＰＩＤ参数的好坏　于实际中无刷直流电机的数学模型很难精确的知　关系着控制器或者整个控制系统性能的好坏。　道，故在实际的应用中，常根据经验来凑试确定ＰＩＤ　本文所做的主要工作概括如下：　的参数。　（１）概述无刷直流电机的控制策略。　在凑试时，根据各环节对系统的调节性能，按先　（２）介绍了用于无刷直流电机的ＰＩＤ算法的原理。　比例、后积分再微分的顺序对各参数进行整定。　（３）对无刷直流电机速度控制系统中常用的　首先整定比例系数。改变比例参数使其由小变　ＰＩＤ控制器参数整定方法做了一定的阐述。　大，并观察相应的系统响应情况，直至获得响应快、　超调量小且稳定的响应曲线。如果系统无静态误差　参考文献：　１】陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型ＰＩＤ控制及其应用【Ｍ】．北京：　或误差允许范围内，且对响应曲线已经满意，则只需　［机械工业出版社．２００２．　要比例调节，不需其他环节。　２］王伟，张晶涛，柴天佑，ＰＩＤ参数先进整定方法综述【Ｊ］，自　如果在比例调节的基础上系统的响应情况不能　［动化学报，２０００（３）：３４７—３５５．　满足设计要求，再进行积分系数的整定。在整定时先　［３】吴宏鑫，沈少萍，ＰＩＤ控制的应用与理论依据［Ｊ］，控制工程，　给定一个较大的积分时间常数，再将之前调节好的　２００３（１）：３７—４２．　比例系数略微缩小，然后逐渐减小积分时间，观察相　［４］杨智，朱海锋，黄以华，ＰＩＤ控制器设计与参数整定方法　应的系统响应情况，直到系统静差减小且动态性能　综述，化工自动化仪表，２００５（５）：１—７．　良好。在此过程中，可根据系统的响应情况的好坏对　【５］夏长亮．无刷直流电机的智能控制［Ｍ］．北京：科学出版　社，２００９．　比例系数和积分时间常数进行反复调节，以得到满　［６】文卫，无刷直流电机的智能控制研究，微电机，２０１１（４４）：　意的控制参数和控制结果。　９７－９９．　如果经过上述的调节后还不能得到满意的结　７］Ｈ　ｏＷＫ，ＬｉｍＫＷ　ａｎｄＸｕＷｅｎ，Ｏｐｔｉｍａｌ　ｇａｉｎａｎｄ　ｐｈａｓｅｍａｒｇｉｎ　果，则进行微分环节的参数整定。首先把微分时间常　［ｔｕｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ＰＩＤ　ｃｏｎ￣ｏＨｅｍ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９８，ｖｏ１．３４，Ｎｏ．８：１００９—　数给定为Ｏ，然后逐渐增加微分时间常数，同时相应　１０１４　的调节另外两个参数，逐步调节，直到系统响应情况　良好，获得满意的调节效果，即结束参数的整定过程。　先进行内环电流环控制器参数的整定，再进行外环　速度环控制器参数的整定。每个环参数的整定应按　一Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｃ　Ｍｏｔｏｒ　ＰＩＤ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｓｅｔｔｉｎｇ　ＧＡＯ　Ｈｕｉ—ｍｉｎ，ＧＵＩ　Ｔｉａｎ－ｚｈｅｎ，ＣＵＩ　Ｒｕ－ｆｅｉ，ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ－ｐｉｎｇ　（Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ　ｘｉ’ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｃ　ｍｏｔｏｒｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ。ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ｍａｉｎｔｅ—　ｎａｎｃｅ，　ａｎｄ　ｍａｎｙ　ｏｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ｎｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｍｍｕｔａｔｏｒ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｃ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ＵＳＥＳ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉＳ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏ１．ｉＳ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｇｏｒａｉｔｈｍ　ｉＳ　ｓｉｍｐｌｅ，ｈｉｇｈ　ｓｔｂｉａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｎｄ　ｇｏｏｄ　ｒａｏｂｕｓｔ—　ｎｅｓｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｆｔｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｃ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｇｏｒａｉｈｍ．ｔｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｄｃ　ｍｏｔｏｒ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｗｈｏｌｅ　ｏｒｄｅｒ　ｉｎ　ｄｅｔｍｌ＿　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）；ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　２９０