电机控制系统中的电机速度最优控制

最优控制理论的发展与展望

[1]最优控制理论是 20 世纪 60 年代迅速发展起来的现代控制理论中的主要内容之一 ,它研究和解决的是如何从一切可能的方案中寻找一个最优的方案。1948 年维纳等人发表论文 ,提出信息、反馈和控制等概念 ,为最优控制理论的诞生和发展奠定了基础。我国著名学者钱学森在 1954 年编著的《工程控制论》直接促进了最优控制理论的发展。美国著名学者贝尔曼的“动态规划”和原苏联著名学者庞特里亚金的“最大值原理”是在最优控制理论的形成和发展过程中 ,最具开创性的研究成果 ,并开辟了求解最优控制问题的新途径。此外 ,库恩和图克共同推导的关于“不等式约束条件下的非线性最优必要条件(库恩 —图克定理) ”及卡尔曼的关于“随机控制系统最优滤波器”等是构成最优控制理论及现代最优化技术理论基础的代表作。[1]

[1]鲁棒控制是针对不确定性系统的控制系统的设计方法 ,其理论主要研究的问题是不确定性系统的描述方法、鲁棒控制系统的分析和设计方法以及鲁棒控制理论的应用领域。鲁棒控制理论发展的最突出的标志之一是 H∞控制。H∞控制从本质上可以说是频域内的最优控制理论。鲁棒控制与最优控制结合解决许多如线性二次型控制、电机调速、跟踪控制、采样控制、离散系统的镇定、扰动抑制等实际问题。

[2]近年来，最优控制理论[1,2]的研究，无论在深度和广度上，都有了很大的发展，已成为系统与控制领域最热门的研究课题之一，取得了许多研究成果。 同时，也在与其他控制理论相互渗透，出现了许多新的最优控制方式，形成了更为实用的学科分支。 例如鲁棒最优控制[3]、随机最优控制[4]、分布参数系统的最优控制[5]、大系统的次优控制[6]、离散系统的最优控制及最优滑模变结构控制[7,8]等。 而对于非线性系统，其最优控制求解相当困难， 需要求解非线性 HJB 方程或非线性两点边值问题，除简单情况外[9]，这两个问题都无法得到解析解。 因此，许多学者都致力于寻求近似的求解方法[10~13]，通过近似解得到近似的最优控，即次优控制。

一. 实验原理

直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要

的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅 < 晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。 PWM 功率放大器与线性功率放大器对照，有功耗低、效率高，有利于战胜直流电机的静摩擦等优点。

PWM 调制与晶体管功率放大器的工作原理：

1．PWM的工作原理

图 1-

1PWM

的控制

电路

上

图所示为 SG3525 为中心的控制电路， SG3525 是美国 Silicon General 公司生产的专用。

PWM 控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图

1-2

所示，它采用恒频脉 宽调制控制方案，其内部包含有精美基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较

器、分频器和保护电路等。调治 Ur 的大小，在 A、 B 两端可输出两个幅度相等、

频率相等、相位相互错开 180 度、占空比可调的矩形波 < 即 PWM 信号）。它适用

于各开关电源、斩波器的控制。

2. 功放电路

直流电机 PWM 输出的信号一般比较小，不能够直接去驱动直流电机，它必定

经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流 15V 的直流电压功放电路驱动。

3. 反响接口

在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感觉输出。

4．直流电机控制系统如图 1-3 所示，由霍耳传感器将电机的速度变换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值依照一

定的规律 < 平时为 PID）运算，尔后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。

图 1-2 SG3525 内部

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变频器在电机速度控制中的应用

作者：乔沈楠

来源：《科技传播》2016年第17期

摘 要 近些年来，我国的电力电子技术发展越来越快，在其快速发展的过程中，变频器的作用也越来越突出。变频器中既包含了自动控制技术，也包含了电力电子技术，还有计算机技术等，所以此技术的科技等级十分高，而且还具有很多安全以及应用较为简单等多个优点。鉴于变频器的优势，其在电机速度控制中的应用越来越广泛，而且也发挥了重要的作用，促进了电机速度控制的发展。因此，本文对变频器在电机速度控制中的应用进行了深入分析，并阐述了自己的见解，希望可以为相关人员在电机速度控制中更好地应用变频器提供一点帮助。

关键词 变频器；电机速度控制；应用

中图分类号 TM3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）170-0184-02

在大型电机软起动和速度控制发展方向的变频调速目前已经取得了较为显著的成功，在此过程中，变频器的应用发挥了重要的作用。因此，本文以S集团为例，对变频器在电机速度控制中的应用进行了具体地分析，内容有以下几个方面。

1 对卷扬电机速度控制系统的理论概述

1.1 对电机控制系统结构进行分析

在卷扬电机速度控制系统中，其组成结构是非常重要的部分，对于控制结果来说有着至关重要的影响，因此，在对卷扬电机速度控制系统进行分析的过程中，必须要对其结构进行了解。卷扬电机速度控制系统是有以下几个部分组成的，第一部分是智能主令控制器；第二部分是变频器；第三部分是卷扬电机；第四部分是上料小车。

1.2 控制系统运行依据的具体原理

卷扬电机速度控制系统在实际运行的过程中，需要依据的一定的原理才能运行，本文对此进行了详细地分析，具体内容如下：在电机速度控制系统运行的过程中，首先需要注意的是智能主令控制器，当由此控制器所控制的上料小车在某一时间运行到了固定的位置之后，就会发出信号，这个信号可以由继电器进行传输，信号经过继电器，进入到变频器频率控制端子中，然后这一信号就可以对变频器进行控制，按照信号要求来输出频率，进而达到对电机速度进行有效控制的目标[1]。在此运行原理中，当上料小车分别达到了上极限以及下极限的时候，那么就可以对上料小车正反转进行控制，所以这一信号具有多重作用。另外，在电机速度控制系统运行过程中，还需要有正反转的控制端子，只有这样其控制作用才能发挥出来。

-1- 基于PID算法的无刷直流电机速度控制系统设计

汲绍艳

中国农业大学机械电子工程，北京（100083）

E-mail：sy_ji@

摘 要：本文介绍了无刷直流电机调速以及PID调节，运用AT89S52单片机作为控制器实

现对电机的速度控制，利用PID算法实现速度闭环控制。阐述了系统的硬件组成和软件流

程，本系统实现了机器人的关键部位---驱动器的设计，解决了机器人的动力来源。

关键词：无刷直流电机，PID算法，闭环控制

1. 引言

无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着一些电子产品的增多，无刷直

流电动机作为驱动器，其需要量迅速增加。无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，

具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。驱动系统是智能机器的重要组成部分, 对

系统的性能和操作能力具有决定性的作用，在一般情况下, 智能机器驱动系统由驱动器和传

动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件, 用以产生运动和力; 传动系统将运动和

力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。

2. PID调节

文献[1]

速度闭环控制结构能够提高无刷直流电动机的速度调解范围和速度控制精度。在

开环形的驱动器的基础上，加上速度闭环，就形成了无刷直流电动机的闭环控制系统。在无

刷直流电动机闭环调速系统中，速度控制器的输出信号，用作脉宽调制器的控制信号，一般

将霍尔位置传感器的信号加以处理后，形成速度反馈信号。在电子数字计算机直接数字控制

系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。PID控制规律的实现，必须用

数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差分代替微分，使PID算法

离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程，

如图1所示：

e

+

-

图1 位置式PID控制算法的简化示意图

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