直流电机：为何直流电机要用PID调速？

​直流电机在应用中，除了恒速运行的产品外，像玩具汽车、电动牙刷、美容仪、大到工业设备都是需要对直流电机进行调速控制的，所以说调速是非常重要的。

在直流电机中，采用的是PID方法调速，有的人可能在想：我直接输入输出速度对应PWM不行吗？

我们下面简单讲解下：PID是反馈环的调节机制，PWM是一种波形，假如设定直流电机一个转速，PWM波形输出后，检测直流电机的实际转速，如果速度低于了设定值，那就会加大占空比，高于设定值的话就会减小占空比。根据机械惯性，直流电机转速变化会有时间差，对于不同转速的误差，占空比都是在变化的，直流电机转速快，占空比就减小，转速慢了占空比又会变大，直流电机在运转中是不能一直来回变大变小，而在控制理论中的PID调节就是解决这种问题的。

直流电机转速有误差，把实测转速输入和设定比较的差值用PID运算输出控制电流，那么增减转速就可以实现精确控制了（注：PID控制和直流电机或者交流电机没有直接关系，PID只是一种控制方法）。

所以说，直接输入转速用PWM精准控制是不现实的，PWM控制的是直流电机的电流，电流决定了直流电机的扭矩，也就是输出力，假设直流电机负载1公斤，转速3000转，那么负载2公斤还需要保持3000转的速度，电流就会增加了。

直流电机

直接控制还有一个问题是，假如负载是静止的，现在需要达到3000转的转速，电流是0.5A,那么直流电机需要一段时间都会到3000转的转速，PID控制速度调节开始电流会很大，会让直流电机快速的加速，等速度稳定下来再稳定电流在0.5A，所以PID在直流电机控制中，实时响应非常好。

直流电机曲线

所以现在的工业直流电机控制采用PID，先控制速度，最后再控制电流，这也是目前成本比较低经过验证的控制算法（微型直流电机只需要控制电压的输出即可控制转速，非常的简单）。

基于直流无刷电机的PID控制算法实现

对无刷直流电机转速的控制即可采用开环控制，也可采用闭环控制。与开环控制相比,，速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：

闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比, 其性能大大提高; 理想空载转速相同时, 闭环系统的静差率(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比) 要小得多；当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。

无刷直流电机的速度控制方案可以采用PID控制算法实现。

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

数学分析

PID调节器的微分方程

模拟PID控制规律的离散化

数字PID控制器的差分方程

编码实现

定义PID结构体

typedef struct

{

float KP; //比例项系数

float KI; //积分项系数

float KD; //微分项系数

float e_1; //上次的误差值

float e_2; //上上次的误差值

float e_3; //上上上次的误差值

float uk; //PID反馈数值

float T; //时间差值

float LastT; //时间绝对值

}

分别计算比例项、微分项和积分项，再求和。

1、计算比例项

x = (Error + 4.0 * PIDP->e_1 + PIDP->e_2) / 6.0; //取平均值滤波

x1 = (PIDP->e_1 + 4.0 * PIDP->e_2 + PIDP->e_3) / 6.0;

Error，误差值；

x，滤波后的本次误差 ；

x1，滤波后的上次误差。

计算得出比例反馈项Dup = PIDP->KP * (x - x1);

2、计算微分项

TS = PIDP->T / 1000.0; //将时间差值转换成以秒为单位

计算微分项Dud = PIDP->KD * (error - 2 * PIDP->e_1 + PIDP->e_2) / TS;

3、计算积分项

Dui = PIDP->KI * TS * x;

4、求和

PID反馈数值PIDP->uk = Dup + Dui + Dud;

最终实现

根据以上算法得出来的PID修正数值，能良好地调整电机转速，并且能使电机在不同负载的条件下保持可调节的速度匀速转动。

根据电机的实际运行情况，PID 算法可以得到相应地改进而更加完善，并可与其它控制算法结合在一起，以产生更好的控制效果。

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