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基于NXP KV30电机专用MCU的ESC-20A-Nano3电调

周立功单片机 2018-05-16 09:11 次阅读
ADRC的第一个专题,我们介绍到PID中的“D”微分项可以预测误差、加快控制速度。但是PID的微分,一般采用经典的 Tustin法计算,计算过程很粗劣,误差很大。它的原理很简单:当前的微分 =(本次采样值 - 上一次采样值)/ 两个值的时间差。图1显示计算B点微分值(即斜率)的过程,可以看出B点在抛物线的顶点,实际的斜率(微分)应该为零,但根据Tustin法,计算出的斜率小于零,显然有很大误差。

图1 微分经典计算

正是由于传统PID的微分计算方法误差大,而且所需的微分信号极有可能被放大后的噪声淹没,对于大部分的电机驱动器,加了D微分后,效果反而更差,或者作用不明显,所以很多电机驱动器只用比例P和积分I,而不用微分D。

ADRC中的跟踪微分器Tracking Differential是计算微分的一种算法。它已被严格证明,计算出的微分信号是输入信号广义导数的一种光滑逼近。通俗说,就是计算出来的微分信号很精确、很接近实际值。

二、大增益控制

ADRC控制快,最主要的一点是“状态误差反馈控制律”使用了“大增益控制”,相当于PID的比例系数P很大。图2是ADRC的“状态误差反馈控制律”常用的控制曲线,横坐标是误差(目标值-实际值),纵坐标是误差对应的控制量。工作时,误差一般控制在“+阀值”和“-阀值”之间,这一段曲线的斜率很大,也就是说增益很大,只要出现一点点的误差,就输出很大的控制量,具有很强的跟踪能力。但是如果误差超过“+阀值”或“-阀值”,增益还是如此大,系统就可能出现超调、震动等不良现象。所以超过“+阀值”或“-阀值”后,要降低增益,即斜率要减少,避免超调和震动。

这种“小误差大增益,大误差小增益”的做法调和了超调和快速控制的矛盾,但是这需要复杂的指数运算,实际工程中的单片机运算速度有限,未必胜任。所以如果非必要,可以不用该曲线,改用固定的增益,也可改用简单的曲线来逼近。

    

   

图2 增益曲线

三、扰动直接补偿

之前的微信我们介绍过,ADRC的“扩张状态观测器”输出的观测扰动,包含系统外部的干扰,如强风吹动螺旋桨,影响无人机的电机速度,也包含内部的干扰,例如电机发热,预先估计的特性不准了。对于图3的速度控制,如果实际速度比目标速度高,那么观测扰动是正数,它除以b0后再减去u0,输出量u将减少,电机的实际速度会下降;如果实际速度比目标速度低,那么观测扰动是负数,输出量u将增大,电机的实际速度会上升。这个补偿过程是最直接最快的,不像PID需要一系列计算才调整到输出量,控制就慢了。

图3 ADRC速度控制

四、快速控制波形

图4是ADRC的速度控制过程,黄线是目标速度,红线是实际速度,蓝线是跟踪加速度,粉线是观测扰动/(-b0)。因为加减速都非常快,所以跟踪加速度、观测扰动火力全开,直接补偿加减速。

图4 快速控制

五、总结

“天下武功无坚不摧,唯快不破。”ADRC在多种手段的配合下,达到惊人的控制速度。

最后请一起欣赏我们精心研发的基于NXP KV30电机专用MCU的ESC-20A-Nano3电调,它只有1个五角硬币的大小,可选配ADRC算法,适用于无人机、医疗设备、空气净化器、水泵、工业自动控制等需要无刷直流电机的领域。

图5 ESC-20A-Nano3 FOC电调

1、基本参数

  • 支持6V~18V,最大相电流30A,最大干路电流20A

  • 支持-20℃~+85℃使用环境

  • 长宽30mm×16mm(如有需要可进一步缩小)

  • 最高转速35000RPM(7对极电机)

  • 自动识别常规1ms~2ms、OneShot、MultiShot等油门

  • 油门信号丢失、过压、欠压、过流、堵转、驱动电路自检等多种保护机制

2、特点

  • 节能省电,比方波电调省电5%~20%

  • 加减速快,加减速比方波电调快一倍以上

  • 超低噪音,正弦波电流,从启动到最高速电机没有电流声

  • 可靠启动,零速启动,连续3000次以上可靠地从静止到最高速瞬间启动

  • 稳定高速,速度比一般方波电调高5%以上

  • 自适应桨,自动适应任何螺旋桨,无需调整参数

  • 自动补偿,边运行边自动补偿电机的参数变化

原文标题:自抗扰控制03: ADRC对快速控制有何奇招?

文章出处:【微信号:Zlgmcu7890,微信公众号:周立功单片机】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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