【正文】 制。 連續(xù)控制系統(tǒng) PID 控制公式 為： ? ??? tdt tdeDTP TdtteteKtu I 0 )(1 ))()(()( （ 31） 式中： PK ─ 比例常數(shù) ； IT ─積 分時間常數(shù) ； DT ─積分時間常數(shù) 。 1. 比例環(huán)節(jié) 的 作用 （ P） 比例環(huán)節(jié)對偏差能夠 做 出快速反應(yīng) ，使得偏差向減小的方向發(fā)展 。比例系數(shù) PK 和控制強(qiáng)度成正比 ，但 如果 PK 過大 則會是系統(tǒng)發(fā)生振蕩 。 其最大缺點就器控制環(huán)節(jié)是有靜差調(diào)速系統(tǒng)。 比例 積分 微分 被控對象 + _ + + + r（ t） e（ t） u（ t） y（ t） 位置檢測 圖 32 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 速度調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié) BLDC 速度計算 電流計算 PWM調(diào)制 逆變電路 電流反饋 速度反饋 參考電流 V 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 2. 積分環(huán)節(jié)的作用（ I） 積分環(huán)節(jié)把 參考值和設(shè)定值之間的偏差 積累作為輸出，其最大特點就是能實現(xiàn)無靜差調(diào)速。只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大。積分 時間 常數(shù) IT 越大，積分作 積累 用越弱 ，消除靜差的過程越慢，但超調(diào)量 減少， 系統(tǒng)穩(wěn)定性 相應(yīng)提高 。 其最大缺點就是會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。 3. 微分環(huán)節(jié)的作用（ D） 微分環(huán)節(jié)用于抑制偏差變化。微分環(huán)節(jié)可以很好的克服系統(tǒng)振蕩，降低超調(diào)，從而使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，尤其是在高頻環(huán)節(jié)。但其最大缺點是對噪聲非常敏感。 PID算法設(shè)計 由于 DSP 微處理器的 工作 特性和電機(jī)控制可靠性 的要求 ，連續(xù)型 PID 控制 的適用范圍因此得到很大的限制 ，這時就需要通過離散化重新構(gòu)建 PID 控制，即數(shù)字 PID 控制，控制系統(tǒng)以開 關(guān)量方式進(jìn)行工作。最終得到離散 PID 控制律的差分方程，具體過程如下： ?????? ????? ??kj TTTTP kekejekeKku DI 0 ))1()(()()()( ?? ?????kj DIP kekeKjeKkeK 0 ))1()(()()( (32) 式中 : PK ─比例系數(shù) ； IK ─積分系數(shù) ； DK ─微分系數(shù) ； T─采樣周期 ； )(ke ─第 k次 采樣周期時刻輸入的偏差值 。 )1()()( ???? kukuku ))2()1(2)(()())1()(( ????????? kekekeKkeKkekeK DIP 上式成為增量式 PID 算法，可將此進(jìn)一步改寫為： )2()1()()( ?????? kCekBekAeku 式中 ： )1( TTTTP DIKA ???； )1( 2TTP DKB ??? ； TTP DKC? 。 綜上所述： )1()2()1()()( ??????? kukCekBekAeku （ 33） 相比 式 （ 32），式（ 33） 最大優(yōu)點是無需進(jìn)行累加操作，最近的幾次采樣值可以決定控制增量的取值，利用加權(quán)能夠比較容易地得到最好的控制結(jié)果 。 雙閉環(huán)控制 中，電流環(huán)因信號易受高頻干擾，所以采用 PI 控制 。 先確定內(nèi)環(huán)的控制參數(shù) ,將 ASR 環(huán)傳遞過來的電流參考值和電流采集電路的反饋值相比較，把二者的差值送入 ACR 環(huán)節(jié)進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)。 而外環(huán)─速度環(huán)采用積分分離 PID 控制作為調(diào)節(jié)算法，根據(jù)上文介紹可知，積分環(huán)節(jié)雖然有益于系統(tǒng)的精確度能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速， 但在啟動、停止或者出現(xiàn)較大偏差時，積分控制會引起積分積累， 產(chǎn)生過大超調(diào)量，不利于電機(jī)運(yùn)行。為了減少積分環(huán)節(jié)的影響，需采用改進(jìn)后的 PID 算法 ─ 積分分離 PID 控制：當(dāng)偏差較大時，采用 PD調(diào)節(jié)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi) 時，恢復(fù) PID 算法調(diào)節(jié)。 具體實現(xiàn)過程如下： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 ① 根據(jù)實際情況設(shè)定一個閥值 ? 。 ② 當(dāng) ??)(ke 時， 采用 PID 控制，保證控制精度 ； 當(dāng) ??)(ke 時，采用 PD控制，確 保反應(yīng)速度，同時避免過大超調(diào)。 用公式表達(dá)，在 PID 算法的積分項上乘以一個系數(shù) ? ， ??? ??? ??? )(0 )(1 ke ke 當(dāng) ??)(ke 時 ， 0?? ，進(jìn)行 PD控制，由式 (32)得： ?? ?????kj DIP kekeKjeKkeKku 0 ))1()(()()()( ? ))1()(()( ???? kekeKkeK DP )1()()1()( 39。39。39。 ?????? kfkeAkeBkeA （ 34） 式中 ： )1(39。 TTP DKA ?? ； TTP DKB ??39。 ； )1()1( 39。 ??? keBkf 。 當(dāng) ??)(ke 時 ， 1?? ，進(jìn)行 PID 控制由式（ 33） 得： )1()2()1()()( ??????? kukCekBekAeku )1()( ??? kgkAe （ 35） 式中 ： )1( TTTTP DIKA ???； )21( TTKB DP ???； )( TTP DKC? ； )1()2()1()1( ??????? kukCekBekg 。 控制技術(shù) 通常情況下，星型連接的三相無刷直流電機(jī)在同一時刻只有兩相繞組導(dǎo)通，有電流流過。 其電動勢平衡方程為： UrIEU acpacp ???? (36) 式中 U ─ 電源電壓（ V）； E ─ 繞組反電動勢（ V）； a cp I ─ 平均 相 電流（ A）； a c p r ─ 繞組的平均電阻 （Ω）； U? ─ 功率管飽和壓降（ V）；橋式換相路線為 U?2 。 當(dāng)電樞繞組或換相電路形式的不同，會使得繞組的反電勢表達(dá)式不相同，但無論哪種情況，均有一個通用的表達(dá) 式： nKE e? （ 37） 式中 n 代表 Motor 的 轉(zhuǎn)速（ r/min）； e K 代表 電動勢系數(shù) （ V/r/min）。 通過 式（ 36）、式（ 37）可知： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 e acpacpe K rIUUKEn ????? （ 38） 由式（ 38）可知 ，可以通過改變外加電壓 U 的大小來對 BLDC 進(jìn)行調(diào)速； 當(dāng) U 越大 ，電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 就 越大 ，反之則小。 電壓調(diào)節(jié) 經(jīng)資料查閱和試驗比較，可以利用變壓調(diào)速的方法進(jìn)行直流調(diào)速 。 改變輸入電壓有兩種方法：改變直流母線的電壓以及電樞繞組的相電壓、 相電流。但在實際應(yīng)用中，改變直流母線電壓和電流，器調(diào)節(jié)效率低、精度低、反應(yīng)慢，更多是采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法。 以下 3 種可控 直流電源常用來調(diào)節(jié)電樞電壓： 靜止式可控整流器，旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組， 直流斬波器或脈寬調(diào)制解調(diào)器（ PWM）。 本設(shè)計用到的 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)基本原理是利用電力電子開關(guān)對恒定電源進(jìn)行脈寬調(diào)制 ，將其“分割”成若干份，從而產(chǎn)生 PWM 信號，如圖 35 所示。同時，利用“面積等效”原理，我們可以用 PWM 波代替各種波形，方便系統(tǒng)進(jìn)行控制。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 8 A p r 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ p p f i l e \ D e s k t o p \ M y D e s i g n . d d b D r a w n B y :A+M O T O R S E R V OVTC UUgVDTUg Ud 圖 34 PWM調(diào)速控制原理圖 圖 35 輸入輸出波形 + + 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 PWM 信號通過功率開關(guān)管的開通、關(guān)斷，按要求把直流電壓分割成若干脈沖電平，而調(diào)壓、調(diào)頻、去除諧波等是可以通過調(diào)節(jié)電壓脈寬和頻率周期。 圖 34 中， 電壓脈沖序列 gU 驅(qū)動功率開關(guān)管 VT 的導(dǎo)通關(guān)斷。 在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)ontt??0 時 ， gU 為正， VT 導(dǎo)通，電源電壓 U 加到電機(jī)電樞兩端；這樣，電動機(jī)兩端得到的平均電壓為： SSTtd UUU on ??? （ 39） 調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過 改變占空比 )10( ???? 完成 。 由式（ 39）和 offon ttT ?? 可知，有三種方法可以改變占空比 的值： 定寬調(diào)頻法 、 調(diào)寬調(diào)頻法 、 定頻調(diào)寬法 。 第一第二種分別是僅改變 oft ， ont 不變；僅改變 ont ， oft 不變。 它們共同之處在于都得改變控制脈沖周期，若控制 不當(dāng)，容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定和振蕩。第三種方法同時改變 ont 和 oft 確保周期 T不變，雖然控制起來略顯麻煩，但因其穩(wěn)定性能而被廣泛使用。 此外， PWM 調(diào)制技術(shù)又分為雙斬式、單斬式。所謂雙斬式即 上下兩功率管同時用 PWM 信號控制；單斬式為上管 PWM 控制，下管恒導(dǎo)通。相比而言，單斬式雖然力矩波動很大， 但 其功率管開關(guān)損耗僅為前者的一半，實現(xiàn)起來也較為簡單，所以本設(shè)計采用單斬控制方式。 PWM相關(guān) 技術(shù) 通過課程學(xué)習(xí)，我們知道一般而言 PWM 控制技術(shù)有三種不同的方法：一般的脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM）、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（ SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（ SVPWM）， 下面 進(jìn)行分析比較 ， 如表 31所示 。 表 31不同控制方法比較 不同控制方法（模式） 特點 適用范圍 一般脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM） 1) 單極性非 橋式你變電路或 120176。導(dǎo)通型橋式逆變電路； 2) 一般情況下，一相或兩相輪流導(dǎo)通； 3) 轉(zhuǎn)子位置傳感器通常采用霍爾元器件； 4) 電機(jī)轉(zhuǎn)速一般不低于 50（ r/min）； 5) 效率比較低和力矩波動比較大，功率較大的電動機(jī)在電子換相過程中還會產(chǎn)生顯著地音頻噪聲。 無刷直流永磁電動機(jī)（ BLDCM） 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（ SPWM） 1) 180176。導(dǎo)通型橋式逆變電路； 2) 三相同時導(dǎo)通； 3) 轉(zhuǎn)子位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器或高精度庫編碼器； 4) 與一般的脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM）相比較，具有 較高的效率、較高的伺服精度和動態(tài)性能、較低的力矩脈動。 自控式永磁同步 電機(jī)（ PMSM） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（ SVPWM） 1) 180176。導(dǎo)通型半橋逆變電路； 2) 三相同時導(dǎo)通； 3) 轉(zhuǎn)子位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器或高精度庫編碼器； 4) 與正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（ SPWM）相比較，其輸出電壓和電流更接近于正弦波，能夠在電動機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生更加圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而減小力矩脈動和鐵心損耗，效率、精度更高、動態(tài)性能更好。 自控式永磁同步電機(jī)（ PMSM） 對于 TMS320LF2407A 而言，要產(chǎn)生一個 PWM 波形， 需要具備三個基本條件： 第一 . 為了產(chǎn)生一個與 PWM 周期相同的計數(shù)周期，需要一個能夠循環(huán)計數(shù)的定時 器 ； 第二 .需要一個比較環(huán)節(jié)，通過比較寄存器中的設(shè)定值和計數(shù)器的值比較，確定脈沖跳轉(zhuǎn) ； 第三 .還要有一個邏輯控制， 確定電平上、下跳，強(qiáng)制高低電平?? 。 具體 PWM 產(chǎn)生模塊將在第五章軟件模塊詳細(xì)介紹。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 4 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計 總體硬件結(jié)構(gòu) 硬件部分由 微控制器處理電路、 驅(qū)動 控制 電路、 逆變橋路、 光耦合隔離、保護(hù)電路等組成，本設(shè)計中采用 TI 公司的 TMS320F2407， 它能夠高速進(jìn)行信號處理、數(shù)字控制功能，而且擁有豐富的外圍擴(kuò)展設(shè)備實現(xiàn)電機(jī)各類控制需求。 總體硬件結(jié)構(gòu)如圖 41所示。 TMS320LF2407芯片介紹 本控制 系統(tǒng)中，使用的微控制處理器是 TI公司的 TMS320LF2407。它是 TI公司專門為逆變器、各類電機(jī)、數(shù)控工業(yè)等控制系統(tǒng)而研發(fā)的。尤其針對無刷直流電機(jī)， DSP 自身已集成PWM 生成， A/D 轉(zhuǎn)換，各類中斷，自保護(hù)等模塊，使用十分方便。其特點如下： 1. 工作電壓 ,采用靜態(tài) CMOS 技術(shù)。 40MIPS 的執(zhí)行速度，較同類產(chǎn)品（ 30MIPS）有很大優(yōu)勢。 2. 片內(nèi) 32K 的 Flash 的程序存儲器， 數(shù)據(jù) /程序 RAM,還包括 544B 的 DRAM（雙端口）和 2K 的 SRAM（單端口）；片外擴(kuò)展：