【转】【电机矢量控制】BLDC方波电流环PID整定方案

【电机矢量控制】BLDC方波电流环PID整定方案

电流环 PID BLDC

KVIN

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发布时间: 2019-09-09

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前言

最开始做BLDC驱动器，用STM32F030，CUBEMX，第一阶段就用最简单的六步法开环控制电机，第一阶段的重点是各种保护，保证驱动器在各种恶略环境下不会坏，包括电压保护，电流保护，短路保护等等在这个阶段重点做了短路保护，也就是瞬时电流保护，最终的效果是：我们直接拿导线短路了一天电机，驱动器仍然没有坏，效果还是不错的。计划的第二阶段是做方波的双闭环，第三阶段是做FOC。老实说，之前是没有了解过电机三环的，果然不出所料，又卡壳了很久，在被总监指导（训斥）了一波之后，重新理一下思路与过程。

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首先是建立simlink模型，在建立simlink模型之前，首先要搞清楚模型对象，是BLDC电机，三相无刷直流电机，我最开始是以为照着三相电机的模型建，原谅我大学学的不好，当时只知道撸代码，自控这些啥都不会啊，只记得电机控制好像是电力传动控制那本书里面的，下了个电力传动控制的电子书，先复习(预习)一下，我下载的是陈伯时老师的《电力拖动自动控制系统》，在花了两天时间把这本书翻了一遍之后，发现里面并没有直接的BLDC的模型啊，这下子不就抄不了了吗？再仔细思考，结合我的驱动器电路，由于驱动器采样电阻只有总回路的电阻，而且我这个是六步法控制的BLDC，虽然是三相，但是每一步状态的CCR的值(PWM的值)是固定的，这可以按照直流电机的模型建立一个总回路的电流环。在问了总监的意见之后，似乎是可以的，然后就开始建模。

做这个时，simlink我是不了解的，之前只是听说过有这个东西，实际就看同学里面喜欢搞控制算法的人用过。额，，，再次原谅我的无知，那就开始simlink的熟悉吧，在看了网上一个100多页ppt的 simlink的基本操作之后，开始照着画模型了。参考的陈老师的模型是这样的(只能大概能看懂老师的思路):

这里，把电流内环单独拉出来，分析一波：

忽略图中的一些参数变化，因为我换了电机，把电流环单独拉出来之后，首先要将闭环去掉，分析模型的开环特性，将波特图打印出来。

在这里要说一下，我用的matlab版本是2016a，当时找波特图找了很久，在网上搜索simlink画波特图之类的，都找到的是2008左右版本matlab的方法，到2016位置都变了，当时终于是在一篇大佬的论文里面找到了怎么搞出来波特图，很尴尬。

第一步：保证模型书输入为In，输出为out，如图所示：

第二步：

第三步：

第四步：

出来的波特图如下：

最开始，我对于波特图分析也是一脸懵逼的，后面在总监的指导(这次真的是指导)下，明白，我们这个模型波特图走向，最开始是平的，后面在高频阶段，会朝下走，这是由于两个传递函数的影响，而我们加入PID调节器的作用，就是把开环模型的波特图修正为大概这个样子：

至于修正方法大约是这样子的，PID调节器里面，Ki的值会作用在低频段，也就是之前波形里面比较平的那一段，Kd的值会作用在高频的那一段，至于Kp，当然是作用在过零点那里，会控制整个波形上下平移，而过零点也就是带宽，要控制带宽频率跟实际驱动器的控制频率差不多，例如实际驱动器电流环的周期是4ms，那带宽就调到200多。
在建立PID模型的时候，我参考了https://www.cnblogs.com/cjq0301/p/5184808.html
这位大神的博客，这里直接截取出来吧：

实际我的模型之中加入PID环节，就变成了这个样子：

在调了一波参数之后，他的波特图就是这样的：

在实际撸代码的时候，参考的依旧是上面那篇博客：

在把实际STM32的代码撸出来之后，再把MATLAB仿真的参数填上，然后就是令人激动的时刻，没错，肯定是不行的。哈哈哈。当然，不是我们的步骤有问题(有大神指正当然更好)。是因为电流采样环节出了问题，控制BLDC(在没有上FOC的情况下)，控制它实际还是取决于PWM，但是一个完整的PWM周期，有高电平，也有低电平，在高电平的时候进行采样，肯定是正确的，但是如果刚好就是在低电平的时候，触发了电流采样，那就有问题了，当然，也有一个原因是我们是要上电流闭环，因此电流采样的实时性要求高一些，因此就要考虑完整，把PWM也考虑进去。

考虑到这些之后，就要找解决办法啦，此时ADC就不能仅仅是DMA采集就行了，要配置触发模式，使用另外一个定时器去触发ADC功能，然后在PWM高电平的中间进行一次采样，我实际是用TIM1来进行PWM的产生，那么就可以用TIM15来跟TIM1进行同步，CCR寄存器的值一直保持跟TIM1的CCR成二分之一的关系就可以了，当然也要判断TIM1的CCR的值太小的话就给TIM15一个固定的值。这个同步信号可以使用COM事件，因为六步法本身就是使用COM事件来实现的，COM事件的定时器为TIM3，那么就把TIM15跟TIM3配置成主从模式就可以。

有关于电流采样的ADC配置问题，请参考我之前的文章，关于ADC电流采样会详细说明。

以上方案如有问题，欢迎指正，当然，也只是一个参考方案，具体项目具体分析，最终的PID参数还是靠调出来的。关于电流环，还有很多东西需要探究。