直流电机控制方法和装置与流程
本发明涉及直流电机控制领域，特别涉及PID速度控制方法。
背景技术：
直流电机是机器人动作执行不可或缺的部件，电机控制性能的好坏直接决定了机器人动作的精准度和稳定性。目前的电机控制一般采用PID的控制方式，速度作为PID输入参考条件，进行比例微分积分调节控制，输出控制电压占空比，再根据霍尔逻辑关系驱动功率器件的开关。由于PID本身所具有的超调特性，存在着电机速度控制反应慢，速度控制容易超调震荡等问题。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供直流电机控制方法和装置，其能解决由于PID控制的超调特性引起的直流电机速度控制反应慢，速度控制容易超调震荡等问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
直流电机控制方法，包括以下步骤：
获取目标速度n；
检测当前速度nk；
计算当前目标转差ek；
根据所述当前速度nk计算测速基础电压W以及根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；
根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；
根据所述输出电压U驱动直流电机。
优选的，所述直流电机为无刷直流电机；根据所述输出电压驱动直流电机，具体包括以下子步骤：
根据所述输出电压U计算电压占空比；
根据所述电压占空比和无刷直流电机的控制逻辑，控制功率管驱动所述直流电机。
优选的，所述根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U具体为根据以下计算公式计算得到：
U＝aV+bW；
其中a、b分别为调节系数和基础系数，a、b均为大于0的常数。
优选的，所述根据所述当前速度nk计算所述测速基础电压W，具体为根据以下计算公式计算：
W＝Cr×φ×nk
其中，Cr为电动势常数，φ为电机磁通。
优选的，所述根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V，具体为：所述PID调节电压V等于比例项Vp、积分项Vi和微分项Vd之和；其中，Vp＝KPek，Vd＝Kd×(ek-ek-1)，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，k为正整数。
优选的，所述根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V，具体为：所述PID调节电压V由数字递推PID控制算法计算，具体为根据以下计算公式计算：
ΔVk+1＝Aek+Bek-1+Cek-2，
Vk+1＝Vk+ΔVk+1；
其中，A＝Kp+Ki+Kd，B＝Kp+2Kd，C＝Kd，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。
直流电机控制装置，包括：
目标模块，用于获取目标速度n；
测速模块，用于检测当前速度nk；
第一计算模块，用于计算当前目标转差ek；
第二计算模块，用于根据所述当前速度nk计算测速基础电压W；
第三计算模块，用于根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；
第四计算模块，用于根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；
驱动模块，用于根据所述输出电压U驱动直流电机。
优选的，所述直流电机为无刷直流电机，所述驱动模块包括：
占空比计算单元，用于根据所述输出电压U计算电压占空比；
控制单元，用于根据所述电压占空比和无刷直流电机的控制逻辑，控制功率管驱动所述直流电机。
优选的，所述第四计算模块具体被配置为：根据以下计算公式计算得到输出电压U：
U＝aV+bW；
其中，a、b分别为调节系数和基础系数，a、b均为大于0的常数。
直流电机控制装置，包括：
处理器以及用于存储处理器可执行的指令的存储器；
所述处理器被配置为：
获取目标速度n；
检测当前速度nk；
计算当前目标转差ek；
根据所述当前速度nk计算测速基础电压W以及根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；
根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；
根据所述输出电压U驱动直流电机。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：在传统比例微分积分调节控制的基础上，引入了速度比例控制部分，使得直流电机的速度收敛控制更快，速度也更加稳定。可以避免在控制目标速度附近，由于PID的积分部分占比很大，而积分的稳定需要一定的收敛时间，而出现的收敛速度慢，超调震荡严重的缺点。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的直流电机控制方法的流程示意图。
图2是本发明实施例二提供的直流电机控制装置的结构示意图。
图3是本发明实施例三提供的直流电机控制装置的结构示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
直流电机的电压方程为：
U＝e+IR＝Crφn+IR (1)
其中e为反向电动势，I为电流，R为电阻，Cr为电动势常数，φ为电机磁通，n为转速。从电压方程可以看出，电机的输入电压可以分为两个部分，一部分抵消了反向电动势，属于电机的有效做功部分；另一部分经过线圈产生热量耗散掉，这是无效做功部分。
从公式(1)可以看出，电机的输入电压和转速成非线性正比例关系，正是基于这种关系，目前大多数电机采用PID控制方法。公式如下：
Uk+1＝Kp×ek+(Ki×ek+Ui)+Kd×(ek-ek-1) (2)
其中ek＝n-nk为转速差。这种控制方式不仅方法简单，而且使用范围宽。但也会出现收敛速度慢，超调震荡严重的缺点。其原因是在控制目标速度附近，PID的积分占比很大，而积分的稳定需要一定的收敛时间。
直流电机的转矩方程为：
综合考虑直流电机的电压方程(1)和转矩方程(3)。式(1)的第一部分表示输出电压与速度成正比例关系。式(3)表示电流I与转矩T成正比例关系，而转矩T与速度成非线性正比关系，因此电流I与速度成非线性正比关系。所以式(1)的第二部分IR表示电压与速度成非线性正比关系。
由以上分析可以得出，电机的输入电压由两部分构成，一部分与电机的转速成正比关系，另一部分与速度成非线性正比关系。在直流电机的速度控制方法上，可以考虑输入电压包含两部分，一部分表示与转速成正比关系的Ks×nk，另一部分表示与速度成非线性正比关系的PID控制部分Kp×ek+(Ki×ek+Ui)+Kd×(ek-ek-1)。因此改进后的直流电机速度控制公式为：
Uk+1＝Kp×ek+(Ki×ek+Ui)+Kd×(ek-ek-1)+Ks×nk (4)
其中，
据此原理，本发明提供了改进的PID直流电机控制方法和装置。实施例一：
如图1所示的直流电机控制方法，包括以下步骤：
S101，获取目标速度n；
S102，检测当前速度nk；
S103，计算当前目标转差ek；
S104，根据所述当前速度nk计算测速基础电压W以及根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；典型的，所述根据所述当前速度nk计算所述测速基础电压W，具体为根据以下计算公式计算：
W＝Cr×φ×nk
其中，Cr为电动势常数，φ为电机磁通。
直流电机的输入电压包含两部分，一部分表示与转速成正比关系的测速基础电压W，另一部分表示与速度成非线性正比关系的PID控制部分PID调节电压V。
S105，根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；典型的，所述根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U具体为根据以下计算公式计算得到：
U＝aV+bW；
其中，a、b分别为调节系数和基础系数。优选的，a、b均为大于0的常数，具体可以根据实际控制要求调节。
改进后的直流电机速度控制公式U＝aV+bW，在传统比例微分积分调节控制的基础上，引入了速度比例控制部分，使得直流电机的速度收敛控制更快，速度也更加稳定。可以避免在控制目标速度附近，由于PID的积分部分占比很大，而积分的稳定需要一定的收敛时间，而出现的收敛速度慢，超调震荡严重的缺点。
典型的，所述直流电机为无刷直流电机，根据所述输出电压驱动直流电机，具体包括以下子步骤：
根据所述输出电压计算电压占空比；
根据所述电压占空比和无刷直流电机的控制逻辑，控制功率管驱动所述直流电机。
PID分为模拟PID和数字PID。优选的，调节电压V可以通过位置型算式或增量型算式计算。
用位置型算式计算时，所述根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V，具体为：所述PID调节电压V等于比例项Vp、积分项Vi和微分项Vd之和；其中，Vp＝KPek，Vd＝Kd×(ek-ek-1)，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，k为正整数。
用增量型算式计算时，所述根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V，具体为：所述PID调节电压V由数字递推PID控制算法计算，具体为根据以下计算公式计算：
ΔVk+1＝Aek+Bek-1+Cek-2，
Vk+1＝Vk+ΔVk+1；
其中，A＝Kp+Ki+Kd，B＝Kp+2Kd，C＝Kd，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。相对来说，位置型算式不够方便，这是因为要累加偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序；因此增量型算式有一定的优势。
S106，根据所述输出电压U驱动直流电机。
PID控制算法中比例(P)部分、积分(I)部分、微分(D)部分各有作用：比例部分，反应系统的基本(当前)偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；微分部分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能；积分部分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差。PID本身具有超调特性，存在着电机速度控制反应慢，速度控制容易超调震荡等问题。
改进后的直流电机速度控制公式U＝aV+bW，在传统比例微分积分调节控制的基础上，引入了速度比例控制部分，使得直流电机的速度收敛控制更快，速度也更加稳定。可以避免在控制目标速度附近，由于PID的积分部分占比很大，而积分的稳定需要一定的收敛时间，而出现的收敛速度慢，超调震荡严重的缺点。
实施例二：
如图2所示的直流电机控制装置，包括：
目标模块101，用于获取目标速度n；
测速模块102，用于检测当前速度nk；
第一计算模块103，用于计算当前目标转差ek；
第二计算模块1041，用于根据所述当前速度nk计算测速基础电压W；
第三计算模块1042，用于根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；
第四计算模块105，用于根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；
驱动模块106，用于根据所述输出电压U驱动直流电机。
具体的，第四计算模块105具体被配置为：根据以下计算公式计算得到输出电压U：
U＝aV+bW；
其中，a、b分别为调节系数和基础系数，a、b均为大于0的常数。
进一步，所述直流电机为无刷直流电机；驱动模块106包括：
占空比计算单元，用于根据所述输出电压U计算电压占空比；
控制单元，用于根据所述电压占空比和无刷直流电机的控制逻辑，控制功率管驱动所述直流电机。
具体的，第三计算模块包括：
比例器，用于计算比例项Vp，Vp＝KPek，KP为比例系数；
积分器，用于计算积分项Vi，Ki为积分系数；
微分器，用于计算微分项Vd，Vd＝Kd×(ek-ek-1)，Kd为微分系数；
在另一实施例中所述第三计算模块包括：
增量计算器，用于计算调节增量ΔVk+1，ΔVk+1＝Aek+Bek-1+Cek-2，其中，A＝Kp+Ki+Kd，B＝Kp+2Kd，C＝Kd，KP为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数；
递推计算器，用于计算PID调节电压Vk+1，Vk+1＝Vk+ΔVk+1。
本实施例中的装置与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施中的系统的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或单元示意的部件可以是或者也可以不是物理模块，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等，如实施例三。
实施例三
如图3所示的直流电机控制装置，包括：
处理器200以及用于存储处理器200可执行的指令的存储器300；
所述处理器200被配置为：
获取目标速度n；
检测当前速度nk；
计算当前目标转差ek；
根据所述当前速度nk计算测速基础电压W以及根据所述当前目标转差ek计算PID调节电压V；
根据所述PID调节电压V和测速基础电压W计算输出电压U；
根据所述输出电压U驱动直流电机。
本实施例中的装置与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施中的系统的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
本发明提供的直流电机控制装置，在传统比例微分积分调节控制的基础上，引入了速度比例控制部分，使得直流电机的速度收敛控制更快，速度也更加稳定。可以避免在控制目标速度附近，由于PID的积分部分占比很大，而积分的稳定需要一定的收敛时间，而出现的收敛速度慢，超调震荡严重的缺点。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
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