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对直流无刷电机的pid控制--第1页

PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制

闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分

的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID

调节器得到了广泛的应用。

PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器

易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。

所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器

设计的成败。

2速度设定值和电机转速的获取

为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转

速，这需要通过精心的设计才能完成。

无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转

动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。

由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成

反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，

可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感

器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID

调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，

产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加

额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在

电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2

个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度

要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。

电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）

来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟

输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。

3非线性变速积分的PID算法

（1）PID算法的数字实现

离散形式的PID表达式为：

其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k

次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。

比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致

系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应

速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减

慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统

趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。

（2）经典PID算法的积分饱和现象

当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜

增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际

控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k