[发明专利]一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法

说明书

本发明公开了一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法，包括降压变换器，直流电机系统，分数阶PID控制器。其中降压变换器是一种静态功率电子电路，可将固定的直流输入电压转换为可变直流输出，由于使用电感器和电容器，DC/DC降压转换器产生平滑的直流输出电压和电流，波纹较小，噪声降低。直流电机由电枢和励磁绕组组成，直流电机由励磁电流和电枢电压激发。由于使用分数阶PID控制器，本发明可以提供更平稳的速度控制，而不需要额外的组件或电路。在非整数分数阶PID控制器用于整数系统的应用中，调整增益和相位特性比使用整数分数阶PID控制器时具有更大的灵活性。这种灵活性使得分数阶控制在设计鲁棒控制系统方面具有强大的优点。

技术领域

本发明涉及一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法。

背景技术

直流电机广泛应用于需要高精度和密度的系统或应用中，例如电动车、钢铁轧机、电动起重机和高精度数字化工具。在这种应用中，采用直流电机是由于其精确和线性的电流转矩特性。通常，电机用于电枢电压控制模式，以实现平稳的速度响应。采用基于脉宽调制(PWM)的输入电压是驱动直流电机最常用的方法。DC/DC电源转换器可以实现更平稳地控制直流电机。特别地，由于使用电感器和电容器，DC/DC降压转换器产生平滑的直流输出电压和电流，波纹较小，噪声降低。

基于PID的控制方案在许多工业应用中是优选的，因为其结构简单，并且具有较少的建立时间，快速控制和低成本应用等各种优点。最近，这种控制方案已经扩展到使用分数演算的广义形式，涉及分数阶的分化和积分，以获得更大的可控性和精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，包括降压变换器、直流电机系统以及分数阶PID控制器；分数阶PID控制器的输出端通过降压变换器与直流电机系统相连，为直流电机提供稳定平滑的输入电压；分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，误差信号为电机的参考速度和实际速度之差。

本发明进一步的改进在于：

降压变换器包括低通滤波电路，低通滤波电路包括全控型开关管IGBT、续流二极管、滤波电感和电容；电容两端作为输出端并联在直流电机上；全控型开关管作为输入端与分数阶PID控制器的输出端相连。

直流电机采用基于脉宽调制的输入电压驱动直流电机，包括电枢和励磁绕组，励磁绕组与降压变换器的输出端相连。

分数阶PID控制器包括分数阶PID控制器和PWM模块，分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，输出端连接PWM模块；PWM模块通过门驱动器将信号输出至降压变换器。

一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)初始化分数阶PID控制器的寄存器、定时器、ADC端口和GPIO端口，输入和出错变量被分配初始值；ADC端口获取电机的实际速度读数；

2)连续计算参考速度和实际速度之间的误差，并由分数阶PID控制器控制变量最小化；

3)然后将分数阶PID控制器的控制信号提供给PWM模块以调节全控型开关管IGBT的开关。

其进一步的改进在于：

降压变换器与直流电机采用状态空间平均法建模进行分析，得到传递函数；分数阶PID控制器的传递函数C(s)如式(1)：