您可以使用 BLDC 馬達控制器和 PID 演算法來控制無刷直流馬達的速度。此設定可協助您立即變更控制器輸出。即使周圍環境發生變化，它也能讓您的無刷直流馬達保持所需的速度。您需要硬體和軟體才能實現此功能。
下表顯示如何在無刷直流馬達控制器中使用 PID 速度控制使其更好：
性能方面 | 產品說明 |
|---|---|
調速 | 當有事物幹擾時，保持速度穩定。 |
上升時間 | 使馬達更快達到正確的速度。 |
Overshoot | 阻止馬達轉速超過設定速度。 |
穩態誤差 | 長時間提供正確的速度。 |
關鍵要點
PID 演算法可協助 BLDC 馬達控制器保持速度穩定，即使外部環境發生變化。優質的硬體、感測器和韌體協同工作，能夠有效控制速度。如果您仔細調整 PID 設置，馬達可以快速達到合適的速度，不會過快或抖動。使用不同的負載和速度測試控制器有助於您及早發現問題，同時也能提高馬達的運作效率。選擇合適的馬達、控制器和回饋方法可以節省能源，還能讓您的系統運作良好，使用壽命更長。
BLDC 馬達控制器和 PID 基礎知識
馬達結構
無刷直流馬達設計簡單。轉子採用永久磁鐵，定子固定繞組。這種設計無需電刷。其他馬達的電刷容易磨損。無刷直流馬達控制器連接到定子，控制電流流動。下表列出了馬達的關鍵部件：
參數/方程 | 產品說明 |
|---|---|
定子直徑（Ds） | 定子主要尺寸 |
槽截面（S_enc） | 根據定子尺寸和槽數確定繞組面積 |
槽填充因子（k_r） | 槽內填充了多少導體 |
插槽數（N_e） | 定子槽數 |
反電動勢 (E) | 轉子運動產生的電壓 |
馬達效率（η） | 輸出與輸入功率之比 |
無刷直流馬達控制器利用這些特性來提高馬達的運作效率，並延長馬達的使用壽命。
電子換向
BLDC 馬達無需電刷。控制器採用電子換向。它透過電晶體切換定子繞組中的電流。控制器透過感測器檢查轉子的位置。這些感測器可以是霍爾效應感測器或旋轉編碼器。有些控制器不使用感測器。它們透過測量反電動勢來確定轉子的位置。這可以讓你很好地控制速度和方向。
測試表明，電子換向技術能夠提供非常出色的速度控制。採用此方法的模型幾乎可以精確地匹配實際馬達轉速。即使在啟動、停止或嘈雜環境中，也能保持如此精準的轉速。這顯示無刷直流馬達控制器能夠勝任複雜的控制任務。
PID速度控制
為了保持馬達轉速穩定，您可以使用 PID 演算法。控制器會檢查轉速並與目標轉速進行比較。它會調整輸出以修正任何差異。這種閉環控制可使馬達保持正確的轉速。即使負載發生變化，它也能正常運作。研究表明，先進的控制器可將上升時間縮短 28%，穩定時間縮短 35%，過衝減少 22%。穩態誤差可低至 0.3%。這表示您的無刷直流馬達控制器能夠為多種用途提供快速且穩定的轉速控制。
速度控制元件
電機類型
您可以選擇不同的無刷直流馬達。每種馬達都有其獨特的功能。這些功能會影響無刷直流馬達控制器的工作方式。大多數無刷直流馬達採用三相繞組。繞組可以是星形或三角形。星形繞組馬達（例如東方馬達的馬達）效率極高，速度控制性能也很好。這些馬達的扭矩高達 5159 磅英寸（約 15 牛頓米）。功率範圍從 400 瓦到 XNUMX 瓦。選擇合適的馬達有助於控制器保持速度穩定，還能節省能源。
控制器硬體
無刷直流馬達控制器硬體是系統的主要部分。您可以使用脈衝寬度調變 (PWM) 來設定速度。控制器會改變電壓脈衝的持續時間。定子內部的霍爾效應感測器顯示轉子的位置。這有助於控制器在正確的時間切換相位。使用此設置，您無需使用功率繼電器。這意味著維持系統運作的工作量更少。此硬體可讓您連接到可編程控制器。這種設計使系統高效可靠。例如，BMU 系列 200 W 馬達和控制器的效率可達 86%，並符合 IE4 標準。
速度回饋感測器
您需要良好的回饋來保持馬達處於正確的速度。許多系統使用霍爾感測器或旋轉編碼器。這些感測器追蹤轉子的位置。它們幫助控制器快速改變速度。有些系統採用無感測器控制。它們透過檢查反電動勢或使用觀測器來估算轉子的位置。研究表明，即使負載變化很快，無感測器方法也能很好地工作。像擴展狀態觀測器這樣的觀測器有助於排除問題。它們還能使速度估算更加精確。這使得您的速度控制器在許多情況下都能更好地工作。
無感測器偵測在高速和低速下均可運作。
先進的觀察器可降低相位延遲和過衝。
良好的回饋有助於系統處理各種負載。
韌體需求
您必須對控制器中的韌體進行程式設計。它處理所有控制任務。韌體讀取來自感測器或無感測器估算器的回饋。它運行 PID演算法 保持速度穩定。數位訊號處理器（DSP）可以幫助控制器快速檢查，並進行快速計算。這使得控制器能夠快速回應變化。韌體還控制PWM訊號，並在需要時改變佔空比。良好的韌體有助於控制器和馬達良好地協同工作，使速度保持在您想要的水平。
提示：請務必使用不同的負載和速度測試您的韌體。這有助於您發現問題並改進速度控制器。
組件/方法 | 速度控制中的描述與作用 | 支持細節和優勢 |
|---|---|---|
轉子位置感測器（霍爾感測器、編碼器） | 這些感測器顯示轉子換相的位置。它們成本較高，佔用空間，而且安裝困難。 | 使用它們會降低系統的可靠性、增加系統的體積，也會提高系統的價格。 |
無感測器控制技術 | 這些系統利用反電動勢和觀測器來猜測轉子的位置和速度。無需物理感測器。 | 它們降低了成本和尺寸，也提高了系統可靠性。如果負載變化不大，它們就能很好地工作。 |
反電動勢感應 | 這會檢查未通電相的反電動勢。它有助於確定換向順序。這種方法成本低廉，但在低速下效果不佳。 | 你需要開環啟動。低速啟動很困難，因為沒有反電動勢。 |
三次諧波電壓積分 | 此演算法利用反電動勢的三次諧波來估算轉子磁通位置。它不受濾波延遲的影響，並且適用於多種轉速。 | 它具有高性能並有助於馬達在低速下良好啟動。 |
數位訊號處理器（DSP） | DSP 運行先進的控制演算法，實現無感測器控制。它們能夠非常快速地檢查和計算。 | 它們使系統比基於感測器的常規驅動器運作得更好。它們可以透過數學運算消除對感測器的需求。 |
滑模觀測器（SMO） | SMO 可以猜測轉子的位置和速度。它可以解決非線性和參數變化引起的問題。它在低速時很有幫助。 | 它可以自行估算定子電阻和速度。它能保持系統穩定，並確保估算結果正確。 |
觀察者（基於模型的方法） | 觀察者會猜測一些你無法測量的事物，例如轉子位置和速度。它們利用系統的輸入和輸出。這有助於閉環控制。 | 它們能讓你猜測難以測量的事物。它們使控制更加精確可靠。它們是無感測器控制所必需的。 |
定子電阻估算 | 這對於良好的低速工作至關重要。它會影響你對定子磁通和速度的預測準確度。 | 使用SMO和超穩定理論的演算法使系統能夠更好地抵抗參數的變化。 |
在 BLDC 馬達控制器中實現 PID
硬件安裝
首先，準備好用於無刷直流馬達控制器的硬體。選擇一台性能良好的無刷直流馬達和一個採用脈寬調製的控制器。使用 8 位元微控制器（例如 PIC MCU）來控制無刷直流馬達。將控制器連接到馬達繞組。確保電源符合馬達的需求。將感測器（例如霍爾感測器或編碼器）連接到馬達以獲取回饋。
將控制器的輸出連接到馬達相位。使用電晶體或MOSFET切換電源。設定PWM訊號來控制發送到馬達的電壓。變更PWM佔空比以調整速度。使用示波器或數據記錄器檢查輸入、輸出和錯誤訊號。這有助於您檢查硬體是否運作正常。
提示：嘗試在不同的負載下測試您的硬體。使用實驗設計方法（例如析因設計）來找到最佳設定。變異數分析等統計工具可以幫助您了解哪些因素對控制器的效能影響最大。
傳感器集成
感測器在您的無刷直流馬達控制器中至關重要。霍爾感測器和編碼器可以告訴您轉子的位置和速度。您也可以使用無感測器的方式，透過反電動勢 (BEMF) 來估算位置。將感測器連接到控制器的輸入引腳。確保接線牢固，感測器設定正確。
您可以透過查看以下內容來檢查感測器的工作情況：
公制 | 產品說明 |
|---|---|
平均速度（V） | 顯示馬達的平均速度。 |
平均加速度（A） | 告訴您速度變化有多快。 |
平均軌跡偏差（D） | 測量您的馬達與目標速度的接近程度。 |
軌跡重合（C） | 顯示實際速度與目標速度的匹配程度。 |
軌跡相交面積（S） | 檢查您的馬達隨時間追蹤設定速度的情況。 |
如果你使用機器學習模型，你可以根據這些特徵來猜測運動功能分數。這有助於你獲得良好且穩定的速度回饋。
注意：務必檢查感測器訊號是否有雜訊。線路故障或感測器設定不正確可能會導致速度控制器故障。
PID演算法
PID 演算法可協助您的無刷直流馬達控制器保持速度穩定。控制器從感測器讀取實際速度，並將其與設定值進行比對。它會找出誤差，並使用三個部分：比例、積分和微分。比例部分對目前誤差做出反應。積分部分將過去的誤差累積起來。微分部分則預測未來的誤差。
您可以像這樣在控制器的韌體中寫入 pid 演算法：
error = setpoint - actual_speed;
integral += error;
output = Kp * error + Ki * integral + Kd * (error - last_error);
last_error = error;
許多無刷直流馬達控制器僅使用比例和積分部分。微分部分可能會導致系統抖動，尤其是在有雜訊的情況下。您可以更改 Kp 和 Ki 值以獲得最佳效果。從較小的值開始，然後逐漸增大它們，同時注意過沖或不穩定情況。
您可以透過查看以下內容來檢查您的 pid 如何運作：
上升時間
建立時間
Overshoot
穩態誤差
您也可以使用基於誤差的規則，例如積分時間平方誤差 (ITSE) 或積分絕對誤差 (IAE)，來查看其效果。一些工程師使用特殊演算法，例如遺傳演算法或粒子群優化演算法，來調整 PID 設定以獲得更好的結果。
提示：如果您的控制器有太多的過衝或抖動，請嘗試降低 Kp 或關閉微分部分。
調整參數
調整無刷直流馬達控制器對於實現良好的速度控制至關重要。首先，選擇 Kp 和 Ki 的初始值。例如，您可以嘗試 Kp=5 和 Ki=7。運行電機，看看它達到設定速度的速度有多快。如果速度慢，則提高 Kp。如果出現抖動，則降低 Kp 或 Ki。
您可以使用編碼器或轉速表的資料來檢查結果。嘗試不同的值並記錄結果。使用 IAE、ITAE、ITSE 和 ISE 等效能分數來比較設定。這些分數可以幫助您找到最適合速度控制器的調校方案。
您還可以使用扭矩、角速度和電流的數學方程式來建模無刷直流馬達。這樣您就可以測試調整過程中的變化，並觀察它們如何影響速度控制。
提示：務必使用真實硬體測試你的調校。模擬測試有幫助，但實際測試可以發現你可能忽略的問題。
測試和故障排除
測試您的無刷直流馬達控制器有助於您發現並解決問題。使用感測器和數據記錄器記錄輸入、輸出和錯誤訊號。注意是否有執行器飽和、積分飽和或雜訊敏感度等問題。
以下是常見問題及需要檢查的內容的表格：
項目類別 | 描述/目的 |
|---|---|
錯誤訊號 | 找出設定值和實際速度之間的較大或不斷增加的誤差。 |
執行器飽和 | 檢查控制器輸出是否達到最大值或最小值。 |
積分飽和 | 注意因積分作用過多而導致的反應緩慢或過衝。 |
噪音敏感度 | 看看高頻雜訊是否會使控制器不穩定。 |
偏見 | 尋找不會消失的穩態錯誤。 |
非線性度 | 注意系統在不同速度或負載下的行為是否不同。 |
傳感器校準 | 確保感測器給出準確的讀數。 |
執行器健康 | 確認馬達響應控制器命令。 |
回饋迴路完整性 | 確保回饋訊號與系統的實際狀態相符。 |
PID參數整定 | 檢查您的 Kp、Ki 和 Kd 值的穩定性和效能。 |
如果發現問題，請調整參數或檢查硬體。確保PWM訊號和占空比正確。在不同的負載和速度下測試控制器，確保在所有情況下都能正常運作。
提示：在硬體測試之前使用閉環仿真。這有助於您及早發現問題並節省時間。
速度控制器的技巧與挑戰
電流和電壓
您必須檢查無刷直流馬達控制器中的電流和電壓。使用錯誤的電壓可能會導致無刷直流馬達停止或損壞。下表顯示了控制器的安全電壓和溫度：
輸入電壓（VDC） | 運行結果 |
|---|---|
8 – 30 | 正常運算 |
> = 42 | 能量轉儲錯誤；馬達停止並空轉，直到電源循環 |
溫度（°C） | 電流限制行為 |
|---|---|
<75 | 正常運算 |
75 – 90 | 40°C 時電流限值降至 90A |
90 – 100 | 電流限制為 40A |
> = 100 | 馬達停止；自由旋轉至復位 |
您還應該設定突波電流限值。如果突波電流限值高於正常值，控制器會允許發生短時間的大電流突發。這有助於您的無刷直流馬達應對快速的負載變化。
開關頻率
開關頻率會改變無刷直流馬達控制器的工作方式。提高開關頻率可以使電流更平滑，有助於無刷直流馬達運轉更安靜，並提供更佳的扭力。測試表明，更高的開關頻率可以擴大控制頻寬。例如，8 kHz 開關頻率可以將頻寬從 400 Hz 提升至 1 kHz。您可以獲得更快的反應速度和更佳的速度控制。但是，如果頻率過高，控制器可能會變得更熱。
位置偵測
良好的位置偵測對您的無刷直流馬達控制器至關重要。您可以使用全步進、半步進或微步進。微步進可提供最佳精度，但扭力較小。斬波驅動器可以幫助您更好地控制電流。這使您的無刷直流馬達運行更平穩，並有助於位置控制。如果您使用限流驅動器，可能會損失一些精度和效率。
模式 | 精密 | 轉矩 |
|---|---|---|
全步 | 低 | 高 |
半步 | 媒材 | 媒材 |
微步進 | 高 | 低 |
韌體問題
韌體問題可能會導致您的無刷直流馬達控制器發生故障。您應該使用示波器等工具檢查訊號。查看記憶體和暫存器以查找錯誤。即時追蹤分析可以幫助您發現時序問題。自動化測試可以及早發現錯誤。一些公司因為韌體問題而陷入困境。例如，堆疊溢位和缺少故障保護機制導致他們失去控制。務必測試您的韌體並使用安全的編碼規則。
常見的陷阱
在調整BLDC速度控制器時，你可能會遇到一些常見問題。許多人會反覆嘗試來設置 PID 值這會導致控制效果不佳。如果系統發生變化，固定的PID設定效果不佳。像Ziegler-Nichols這樣的啟發式方法雖然簡單易行，但並不總是有效。自適應PID需要良好的模型，而這些模型很難獲得。您應該使用測量系統分析和控製圖來觀察效能。始終收集數據，檢查流程，並不斷學習。
若要在 BLDC 馬達控制器中設定 PID 速度調節，請依照下列步驟操作：
選擇正確的控制器硬體。
連接感測器以獲得回饋。
使用 PID 演算法對控制器進行編程。
調整控制器以獲得最佳效果。
使用 BLDC 馬達測試控制器。
不斷學習，如果您的控制器遇到複雜問題，請尋求協助。您可以實現穩定的速度和可靠的控制。
常見問題
馬達控制器中的 PID 代表什麼？
PID 代表比例、積分和微分。這三個部分幫助您控制 BLDC 馬達的速度。每個部分分別修復速度控制系統中不同類型的錯誤。
為什麼我的 BLDC 電機會超過目標速度？
如果 PID 設定過高，電機會過衝。嘗試降低比例 (Kp) 或積分 (Ki) 值。這有助於馬達達到目標速度，而不會過衝。
我可以對所有 BLDC 馬達使用無感測器控制嗎？
許多 BLDC 馬達都可以使用無感測器控制。它在中高速下效果最佳。在極低速下，無感測器方法可能無法提供準確的轉子位置。
我如何知道我的 PID 調節是否正確？
檢查以下標誌：
馬達很快達到設定轉速。
超調很少或根本沒有。
速度保持穩定。
如果發現較大的錯誤或抖動，請調整 PID 值。
