直流電機具有良好的調(diào)速性能，如無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動轉(zhuǎn)矩、高效率等。無刷直流電機由于采用電子換向，PWM調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機性能的同時又克服了直流電機機械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機的使用壽命，近年來已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域。

　　1　無刷直流電機的速度控制方案

　　對無刷直流電機轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無刷直流電機的速度控制方案如圖1所示。

　　無刷直流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＋無刷直流電機控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計簡單，運算速度快，可實現(xiàn)復(fù)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無刷直流電機控制器。后者雖然運算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依然可以達(dá)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無刷直流電機控制專用集成電路MC33035，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、功率輸出驅(qū)動電路、限流電路，可以實現(xiàn)無刷直流電機速度開環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。系統(tǒng)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(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路，無刷電機控制邏輯和保護(hù)由MC33035完成，單片機用來完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現(xiàn)。

　　閉環(huán)速度調(diào)節(jié)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(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。

　　PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試無刷直流電機控制器的過程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)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(jìn)，關(guān)系到整個無刷直流電機控制器設(shè)計的成敗。

　　2　速度設(shè)定值和電機轉(zhuǎn)速的獲取

　　為在單片機中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機速度設(shè)定值（通過A／D變換器）和電機的實際轉(zhuǎn)速，這需要通過精心的設(shè)計才能完成。

　　無刷直流電機的實際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機轉(zhuǎn)動過程中，通過霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。

　　由圖2可知，電機每轉(zhuǎn)一圈，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波，且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比，因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間，可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度，則電機的實際轉(zhuǎn)速為：但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的，低速時采樣周期要長些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時間，但得增加額外的硬件開銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差時，相鄰2個正脈沖的寬度不一致，會導(dǎo)致較大的測速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時，可采用增量式光電碼盤，但同樣會增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開銷。

　　電機速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行A／D（如ADS7818）來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機調(diào)速的過程中，電機控制器的功率輸出部分會對A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。

　　3　非線性變速積分的PID算法

　?。?）PID算法的數(shù)字實現(xiàn)

　　離散形式的PID表達(dá)式為：

　　其中：KP，KI，KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)；E（k），E（k－1）分別為第k次和k－1次時的期望偏差值；P（k）為第k次時調(diào)節(jié)器的輸出。

　　比例環(huán)節(jié)的作用是對信號的偏差瞬間做出反應(yīng)，KP越大，控制作用越強，但過大的KP會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用雖然可以消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，減小KI可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量，但會減慢系統(tǒng)的響應(yīng)過程。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但其對干擾敏感，不利于系統(tǒng)的魯棒性。

　　（2）經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象

　　當(dāng)電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差的階躍，使｜E（k）｜增大，PID的輸出P（k）將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限Pmax，此時的實際控制量只能限制在Pmax，電機的轉(zhuǎn)速M（k）雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E（k）將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值，從而使得PID算式中的積分項不斷地得到累積。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值后，開始出現(xiàn)負(fù)的偏差，但由于積分項已有相當(dāng)大的累積值，還要經(jīng)過相當(dāng)一段時間后控制量才能脫離飽和區(qū)，這就是正向積分飽和，反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期（這一點單片機往往達(dá)不到），整定合適的PID參數(shù)；二是對PID算法進(jìn)行改進(jìn)，可以采用非線性變速積分PID算法。

　　（3）變速積分的PID算法

　　變速積分PID算法的基本思想是改變積分

　　直流電機具有良好的調(diào)速性能，如無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動轉(zhuǎn)矩、高效率等。無刷直流電機由于采用電子換向，PWM調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機性能的同時又克服了直流電機機械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機的使用壽命，近年來已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域。

　　1　無刷直流電機的速度控制方案

　　對無刷直流電機轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無刷直流電機的速度控制方案如圖1所示。

　　無刷直流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＋無刷直流電機控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計簡單，運算速度快，可實現(xiàn)復(fù)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無刷直流電機控制器。后者雖然運算速度低，但只要采用適當(dāng)?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依然可以達(dá)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無刷直流電機控制專用集成電路MC33035，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、功率輸出驅(qū)動電路、限流電路，可以實現(xiàn)無刷直流電機速度開環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。系統(tǒng)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(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路，無刷電機控制邏輯和保護(hù)由MC33035完成，單片機用來完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現(xiàn)。

　　閉環(huán)速度調(diào)節(jié)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(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。

　　PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試無刷直流電機控制器的過程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)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(jìn)，關(guān)系到整個無刷直流電機控制器設(shè)計的成敗。

　　2　速度設(shè)定值和電機轉(zhuǎn)速的獲取

　　為在單片機中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機速度設(shè)定值（通過A／D變換器）和電機的實際轉(zhuǎn)速，這需要通過精心的設(shè)計才能完成。

　　無刷直流電機的實際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機轉(zhuǎn)動過程中，通過霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。

　　由圖2可知，電機每轉(zhuǎn)一圈，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波，且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比，因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間，可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度，則電機的實際轉(zhuǎn)速為：但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的，低速時采樣周期要長些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時間，但得增加額外的硬件開銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有較嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差時，相鄰2個正脈沖的寬度不一致，會導(dǎo)致較大的測速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時，可采用增量式光電碼盤，但同樣會增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開銷。

　　電機速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行A／D（如ADS7818）來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機調(diào)速的過程中，電機控制器的功率輸出部分會對A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進(jìn)行抗干擾處理。

　　3　非線性變速積分的PID算法

　?。?）PID算法的數(shù)字實現(xiàn)

　　離散形式的PID表達(dá)式為：

　　其中：KP，KI，KD分別為調(diào)節(jié)器的比例、積分和微分系數(shù)；E（k），E（k－1）分別為第k次和k－1次時的期望偏差值；P（k）為第k次時調(diào)節(jié)器的輸出。

　　比例環(huán)節(jié)的作用是對信號的偏差瞬間做出反應(yīng)，KP越大，控制作用越強，但過大的KP會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分環(huán)節(jié)的作用雖然可以消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，減小KI可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量，但會減慢系統(tǒng)的響應(yīng)過程。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但其對干擾敏感，不利于系統(tǒng)的魯棒性。

　?。?）經(jīng)典PID算法的積分飽和現(xiàn)象

　　當(dāng)電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差的階躍，使｜E（k）｜增大，PID的輸出P（k）將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限Pmax，此時的實際控制量只能限制在Pmax，電機的轉(zhuǎn)速M（k）雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E（k）將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在較大的偏差值，從而使得PID算式中的積分項不斷地得到累積。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值后，開始出現(xiàn)負(fù)的偏差，但由于積分項已有相當(dāng)大的累積值，還要經(jīng)過相當(dāng)一段時間后控制量才能脫離飽和區(qū)，這就是正向積分飽和，反向積分飽和與此類似。解決的辦法：一是縮短PID的采樣周期（這一點單片機往往達(dá)不到），整定合適的PID參數(shù)；二是對PID算法進(jìn)行改進(jìn)，可以采用非線性變速積分PID算法。

　　（3）變速積分的PID算法

　　變速積分PID算法的基本思想是改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相適應(yīng)。偏差大時，減弱積分作用，而在偏差較小時則應(yīng)加強積分作用，為

　　這時PID算法可改進(jìn)為：

　　f的值在0～1區(qū)間變化，當(dāng)偏差大于A＋B時，證明此時已進(jìn)入飽和區(qū)，這時f＝0，不再進(jìn)行積分項的累加；｜E（k）｜≤A＋B時，f隨偏差的減小而增大，累加速度加快，直至偏差小于B后，累加速度達(dá)到最大值1。實際中A，B的值可做一次性整定，當(dāng)A，B的值選得越大，變速積分對積分飽和抑制作用就越弱，反之越強。筆者的經(jīng)驗：取A＝30％［｜E（k）｜］MAX，B＝20％［｜E（k）｜］MAX為宜。

　　（4）非線性變速積分的PID算法

　　變速積分用比例作用消除了大偏差，用積分作用消除小偏差，大部分情況下可基本消除積分飽和現(xiàn)象，同時大大減小了超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，但對于在大范圍突然變化時產(chǎn)生的積分飽和現(xiàn)象仍不能很好地消除，這時可采用非線性變速積分的PID算法。

　　非線性變速積分的PID算法的基本思想是將PID調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi)，避免P（k）超出執(zhí)行機構(gòu)動作范圍而產(chǎn)生飽和。