[发明专利]一种控制电机的硬件自适应PID控制器及其控制方法

说明书

本发明公开一种控制电机的硬件自适应PID控制器及控制方法。该控制器包括：第一加法器，PID系数调整步长确定电路、加法器组、乘法器组、及第二加法器。该方法包括：将目标值与实测值相减得到误差值；根据误差大小和上一周期三个系数调整步长确定本周期三个系数调整步长；将所确定的三个系数的步长分别与上一周期三个系数相加得到本周期三个系数；将得到的本周期三个系数分别与误差、误差和误差的微分相乘；将积分系数和误差的乘积经积分运算后，与比例系数和误差的乘积及微分系数和误差的微分的乘积相加，得到控制值。本发明普遍适用于各种电机控制场景；不同阶段采用不同系数更精确地控制马达，通过纯硬件算法完成马达控制，计算速度很快。

技术领域

本发明涉及一种自动化控制技术，尤其涉及一种控制电机的PID控制器及其控制方法。

背景技术

在控制系统中，控制器最常用的控制规律是比例-积分-微分(PID)控制，即比例(Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)通过线性组合控制马达，公式如下：

u(n)＝K_pe(n)+∑K_ie(j)+K_d(e(n)-e(n-1))

其中，K_p是比例系数，能够及时对偏差做出反应，反应速度适中；

K_i是积分系数，能够消除静态误差，但响应速度会比较慢；

K_d是微分系数，能够根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正，但对输入噪声很敏感。

结合上述三种系数调整的优点按照一定比例能够实现快速平稳地控制马达。

目前，主要是通过软件计算好PID参数，软件按照公式计算PID控制器输出的控制值un，软件根据un值控制脉冲宽度调制(PWM)的宽度，从而实现马达控制。PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。虽然传统的PID算法比较成熟，但PID系数需要根据不同的应用场景给出不同的参数，灵活性比较低；需要大量地消耗软件资源；三个系数值全过程是固定的，不能实现不同阶段不同的PID系数来精确控制马达。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过数字电路实现PID参数自适应调整的控制电机的硬件自适应PID控制器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，提出一种控制电机的硬件自适应PID控制器。该PID控制器包括：

第一加法器，用于将目标值与实测值作差得到误差；

PID系数调整步长确定电路，用于根据第一加法器输出的误差和上一周期的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别确定本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长；

第一加法器组，用于将PID系数调整步长确定电路确定的本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别与上一周期的积分系数、比例系数和微分系数相加，得到本周期的积分系数、比例系数和微分系数；

乘法器组，用于将加法器组得到的积分系数、比例系数和微分系数分别与误差、误差、以及误差的微分相乘，得到三个乘积；

第二加法器组，用于将乘法器组输出的积分系数与误差的乘积经过积分运算后，与比例系数与误差的乘积和微分系数与误差的微分的乘积相加，得到PID控制值。

上述控制电机的硬件自适应PID控制器所包括的所有加法器中任意多个加法器由一个加法器分时复用实现。

上述控制电机的硬件自适应PID控制器所包括的所有乘法器中任意多个乘法器由一个乘法器分时复用实现。