一种控制电机的硬件自适应PID控制器及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种控制电机的硬件自适应PID控制器及控制方法。该控制器包括：第一加法器，PID系数调整步长确定电路、加法器组、乘法器组、及第二加法器。该方法包括：将目标值与实测值相减得到误差值；根据误差大小和上一周期三个系数调整步长确定本周期三个系数调整步长；将所确定的三个系数的步长分别与上一周期三个系数相加得到本周期三个系数；将得到的本周期三个系数分别与误差、误差和误差的微分相乘；将积分系数和误差的乘积经积分运算后，与比例系数和误差的乘积及微分系数和误差的微分的乘积相加，得到控制值。本发明专利技术普遍适用于各种电机控制场景；不同阶段采用不同系数更精确地控制马达，通过纯硬件算法完成马达控制，计算速度很快。

Hardware self-adaptive PID controller for controlling motor and control method thereof

The invention discloses a hardware self-adapting PID controller for a control motor and a control method thereof. The controller comprises a first adder, a PID coefficient adjustment step, a determination circuit, an adder set, a multiplier set, and a two adder. The method includes: the target value is obtained by subtracting the error value and the measured value; according to the error size and a cycle of three coefficients adjustment step to determine the three cycle coefficient adjustment step; three coefficients will be determined by the step size respectively with a cycle of three can be obtained by adding the three coefficient coefficient of this cycle; differential multiplication get this cycle three the coefficient of error, error and error; the product integral coefficient and error after integral calculation, the sum of product and product differential proportion coefficient and error and differential coefficient and error, control value. The invention is generally applicable to various motor control scenes; at different stages, the motor is controlled more accurately by adopting different coefficients, and the motor control is completed by a pure hardware algorithm, and the calculation speed is very fast.

【技术实现步骤摘要】
一种控制电机的硬件自适应PID控制器及其控制方法
本专利技术涉及一种自动化控制技术，尤其涉及一种控制电机的PID控制器及其控制方法。
技术介绍
在控制系统中，控制器最常用的控制规律是比例-积分-微分(PID)控制，即比例(Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)通过线性组合控制马达，公式如下：u(n)＝Kpe(n)+∑Kie(j)+Kd(e(n)-e(n-1))其中，Kp是比例系数，能够及时对偏差做出反应，反应速度适中；Ki是积分系数，能够消除静态误差，但响应速度会比较慢；Kd是微分系数，能够根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正，但对输入噪声很敏感。结合上述三种系数调整的优点按照一定比例能够实现快速平稳地控制马达。目前，主要是通过软件计算好PID参数，软件按照公式计算PID控制器输出的控制值UN，软件根据UN值控制脉冲宽度调制(PWM)的宽度，从而实现马达控制。PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。虽然传统的PID算法比较成熟，但PID系数需要根据不同的应用场景给出不同的参数，灵活性比较低；需要大量地消耗软件资源；三个系数值全过程是固定的，不能实现不同阶段不同的PID系数来精确控制马达。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种通过数字电路实现PID参数自适应调整的控制电机的硬件自适应PID控制器及其控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一方面，提出一种控制电机的硬件自适应PID控制器。该PID控制器包括：第一加法器，用于将目标值与实测值作差得到误差；PID系数调整步长确定电路，用于根据第一加法器输出的误差和上一周期的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别确定本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长；第一加法器组，用于将PID系数调整步长确定电路确定的本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别与上一周期的积分系数、比例系数和微分系数相加，得到本周期的积分系数、比例系数和微分系数；乘法器组，用于将加法器组得到的积分系数、比例系数和微分系数分别与误差、误差、以及误差的微分相乘，得到三个乘积；第二加法器组，用于将乘法器组输出的积分系数与误差的乘积经过积分运算后，与比例系数与误差的乘积和微分系数与误差的微分的乘积相加，得到PID控制值。上述控制电机的硬件自适应PID控制器所包括的所有加法器中任意多个加法器由一个加法器分时复用实现。上述控制电机的硬件自适应PID控制器所包括的所有乘法器中任意多个乘法器由一个乘法器分时复用实现。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，PID系数调整步长分为四个级别：高、中、低、以及0。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，误差从高到低分为正数上的8个窗口和负数上的8个窗口。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，调整步长的确定满足以下原则：根据本周期的误差值处于高值、中值、低值还是0窗口，本周期的PID系数调整步长确定为相应级别，同时，本周期的PID系数调整步长相对于上一周期的调整步长逐级改变。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，输出的PID控制值直接控制脉冲宽度调制PWM的宽度，如果出现PID控制值的数据位宽大于PWM可调整位宽的情况，则取PID控制值的低位数据，并且PID控制值大于脉冲宽度调制PWM可调整位宽时关闭电机，并上报错误。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，PID各系数的初值由微控制单元配置给出。对于上述控制电机的硬件自适应PID控制器，输出的PID控制值基于不同电机的特性软件映射到不同的脉冲宽度调制PWM控制参数。另一方面，提出一种硬件自适应PID控制器的控制方法。该方法包括如下步骤：将目标值与实测值相减得到误差值；根据误差大小和上一周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长确定本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长；将所确定的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别与上一周期的积分系数、比例系数和微分系数相加得到本周期的积分系数、比例系数和微分系数；将得到的本周期的积分系数、比例系数和微分系数分别与误差、误差和误差的微分相乘；将积分系数和误差的乘积经过积分运算后，与比例系数和误差的乘积以及微分系数和误差的微分的乘积相加求和，得到PID控制器的控制值。与现有技术相比，本专利技术技术方案主要的优点如下：本专利技术的硬件自适应PID控制器自动调节PID系数，能够自动学习得到合适的PID系数，普遍适用于各种电机控制场景，不受具体场景的限制，应用范围广；能够在不同阶段采用不同的PID系数，更精确地控制马达；PID计算过程中乘法器和加法器能够复用，减小了电路规模，提高了器件的使用效率；能够通过纯硬件算法完成马达控制，不需要软件干预，软件初始化后，全程硬件控制，节约软件资源；计算速度加快很多，可以提高PID控制性能，尤其对于需要多个PID运算的场景，软件的PID参数调整速度比较慢，只能串联执行，对于多路控制有可能是个实现瓶颈，而硬件PID可以并行，实现更多路计算。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术一个实施例所述的控制电机的硬件自适应PID控制器的电路结构示意图；图2示出图1所示的硬件自适应PID控制器中PID系数调整步长确定电路确定步长的规则表；图3是本专利技术一个实施例所述的硬件自适应PID控制器的控制方法流程图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。如图1所示，本专利技术一个实施例所述的硬件自适应PID控制器包括第一加法器1，用于将目标值与实测值作差得到误差e(n)。优选地，实测值是反馈值与放大系数输入第一乘法器6相乘得到的。其中，目标值可以是电机的预设速度、转速或周期。反馈值是传感器实时测量得到的电机当前的速度、转速或周期，反馈值和目标值是同类参量，比如目标值是电机的预设速度，则实测值必须是传感器测量到的电机当前速度。PID控制器还包括第一寄存器7，用于存储第一加法器1输出的误差值而且保存有上一采样周期的误差e(n-1)以供后续计算误差的微分使用。硬件自适应PID控制器还包括PID系数调整步长确定电路2，用于根据第一加法器1输出的误差大小和上一采样周期的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长(step)分别确定本采样周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长。PID系数调整步长确定电路2包括积分系数调整步长确定电路21、比例系数调整步长确定电路22、以及微分系数调整步长确定电路23。其中，积分系数调整步长确定电路21用于根据第一加法器1输出的误差大小确定积分系数调整步长，比例系数调整步长确定电路22用于根据第一加法器1输出的误差大小确定比例系数调整步长，微分系数调整步长确定电路23用于根据第一加法器1输出的误差大小确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于，该PID控制器包括：第一加法器，用于将目标值与实测值作差得到误差；PID系数调整步长确定电路，用于根据第一加法器输出的误差和上一周期的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别确定本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长；第一加法器组，用于将PID系数调整步长确定电路确定的本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别与上一周期的积分系数、比例系数和微分系数相加，得到本周期的积分系数、比例系数和微分系数；乘法器组，用于将加法器组得到的积分系数、比例系数和微分系数分别与误差、误差、以及误差的微分相乘，得到三个乘积；第二加法器组，用于将乘法器组输出的积分系数与误差的乘积经过积分运算后，与比例系数与误差的乘积和微分系数与误差的微分的乘积相加，得到PID控制值。

【技术特征摘要】
1.一种控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于，该PID控制器包括：第一加法器，用于将目标值与实测值作差得到误差；PID系数调整步长确定电路，用于根据第一加法器输出的误差和上一周期的积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别确定本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长；第一加法器组，用于将PID系数调整步长确定电路确定的本周期积分系数、比例系数和微分系数的调整步长分别与上一周期的积分系数、比例系数和微分系数相加，得到本周期的积分系数、比例系数和微分系数；乘法器组，用于将加法器组得到的积分系数、比例系数和微分系数分别与误差、误差、以及误差的微分相乘，得到三个乘积；第二加法器组，用于将乘法器组输出的积分系数与误差的乘积经过积分运算后，与比例系数与误差的乘积和微分系数与误差的微分的乘积相加，得到PID控制值。2.如权利要求1所述的控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于，PID控制器所包括的所有加法器中任意多个加法器由一个加法器分时复用实现。3.如权利要求1所述的控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于PID控制器所包括的所有乘法器中任意多个乘法器由一个乘法器分时复用实现。4.如权利要求1所述的控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于，PID系数调整步长分为四个级别：高、中、低、以及0。5.如权利要求1或4所述的控制电机的硬件自适应PID控制器，其特征在于，误差从高到低分为正数上的8个窗口和负数上的8个窗口。6.如权利要求1所述的控制电机的硬件自适应PI...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志斌，吴博，钟裕捷，李仕炽，李仕胜，
申请(专利权)人：北京鸿智电通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11