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【嵌入式电机控制#18】有刷直流串级控制

news 2025/7/30 9:38:25

一、串级控制

在控制理论中，串级控制是改善控制性能的一大有效方法。

所谓串级控制，就是采用多个控制器串联工作，外控制器输出作为内环的输入，而内环控制器输出去控制执行器，从而提升控制效果。

这种设计方法极大提升了控制系统的抗干扰能力。

对于电机控制系统而言，速度+电流的闭环控制，增加了对电流本身的控制，不至于在特殊时刻超调。同时，两个控制器协同工作，提高了响应时间。

二、引入电流闭环后的问题

1.电流截至控制

2. 积分限幅

不详细展开讲了，这些前面都涉及到

三、双闭环

内环：对时间要求高，实时响应需求高，采样频率高

外环：对时间要求较低，采样频率较低。

为什么电流需要放到内环？

第二次工业革命时期，人类主要采用的是单电压控制。后来由于工业、军事领域对控制电路负载调制率和响应速度的不断提高，电压环显得不再可靠。

为什么电压不可靠？大家是否还记得第一次学自动控制原理时的一道例题，

某LC系统如下：

电源电压为，

电容电流、电感电压在单位阶跃信号输入下的零状态响应，

则推导出电容两端电压为，

其中，

两边做拉氏变换并化简得，

由于是单位阶跃信号，则输入与输出之间的传递函数为，

它很明显是个二阶系统

电压是一个经过电感电容（近似二阶系统）后的表现值，系统滞后性很大，环路控制较慢。

然而电流，却是直接经过一阶环节形成的，对系统变化的敏感度较高。

根据控制量的物理形成规律，我们设计出了电压（转速）外环，电流内环的控制方法。

当然，也有些情况下会出现电流外环，电压内环的系统，这里不做过多讲解。

四、重要控制框架介绍

接下来介绍位置速度电流三闭环系统的控制框架，

PID_TypeDef  cPID,sPID,lPID; 
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{__IO int32_t ADC_Resul= 0;__IO float Volt_Result = 0;__IO float ADC_CurrentValue;	// ADC结果，电压结果，adc电流值初始化if(uwTick % 100 == 0){    //距离环中断//计算计数器绝对计数值Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);//进行距离PIDif(Start_flag == 1){//获得了速度占空比tmpPWM_DutySpd = LocPIDCalc(Sample_Pulse);//速度占空比不能超过设定最大值if(tmpPWM_DutySpd >= TARGET_SPEED)tmpPWM_DutySpd = TARGET_SPEED;if(tmpPWM_DutySpd <= -TARGET_SPEED)tmpPWM_DutySpd = -TARGET_SPEED;}}if(uwTick % 100 == 0){//速度环中断//这里不能用获取counter再清零的方式算转速，因为我们还要算绝对位置//所以用两次绝对量做差算速度Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);Spd_PPS = Sample_Pulse - LastSample_Pulse;LastSample_Pulse = Sample_Pulse ;//计算实际转速 脉冲总数/PPR/减速比/倍频系数 * 频率 * 单位换算Spd_RPM = ((((float)Spd_PPS/(float)PPR)*10.0f)*(float)60);//µ¥Î»ÊÇrpm//进行速度PID计算if(Start_flag == 1){sPID.SetPoint = tmpPWM_DutySpd;tmpPWM_Duty = SpdPIDCalc(Spd_RPM);if(tmpPWM_Duty < 0){Motor_Dir = CW;BDDCMOTOR_DIR_CW();tmpPWM_Duty = -tmpPWM_Duty;}else{Motor_Dir = CCW;BDDCMOTOR_DIR_CCW();}//电流占空比只能是正数，在依据占空比正负进行方向控制的同时，取绝对值//进行电流限幅if(tmpPWM_Duty >= TARGET_CURRENT)tmpPWM_Duty = TARGET_CURRENT;}}if(uwTick % 40 == 0){ADC_Resul = AverSum/AverCnt ;//这个前面说过了OffsetCnt_Flag++;if(OffsetCnt_Flag >= 16){if(OffsetCnt_Flag == 16){OffSetHex /= OffsetCnt_Flag-1;}OffsetCnt_Flag = 32;ADC_Resul -= OffSetHex;}else OffSetHex += ADC_Resul;Volt_Result = ( (float)( (float)(ADC_Resul) * VOLT_RESOLUTION) );ADC_CurrentValue = (float)( (Volt_Result / GAIN) / SAMPLING_RES);if(Volt_Result<0)Volt_Result = 0;AverCnt = 0;AverSum = 0;//最后的区别就在于我们电流PID输入量以速度环输出为准if(Start_flag == 1){  cPID.SetPoint = tmpPWM_Duty ;PWM_Duty = CurPIDCalc( (int32_t)ADC_CurrentValue);if(PWM_Duty >= BDCMOTOR_DUTY_FULL)PWM_Duty = BDCMOTOR_DUTY_FULL;if(PWM_Duty <=0)PWM_Duty = 0;__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty);}printf("LOC:%d Sped: %2.2f r/m Curr: %d mA \n",Sample_Pulse,Spd_RPM ,(int32_t)ADC_CurrentValue);}
}

需要注意的是，它这里采用了占空比直接等价换算为速度的计算方式，在实际工程中大家可能需要进行合理的换算（下一小段开始简单讲述这个问题）。

因为此章节结束后，一定会有些同学已经开始上手做项目，我将在这里梳理一遍控制系统的设计顺序，避免让大家犯错。