電機制氧-如何讓電機制氧又穩又安靜？

便攜式制氧機使用微型電機就可制氧！本文將剖析ADRC取代PID控制電機，讓便攜制氧機更平穩更安靜。便攜制氧機，因為要隨時(shí)攜帶，所以需要微型壓縮機的速度穩定、噪聲低、能效高。傳統的PID算法用在微型壓縮機上速度波動(dòng)較大、效果一般，而ADRC算法能大幅提升性能。

便攜制氧機

便攜制氧機是在傳統插電制氧機的基礎上進(jìn)行小型化。主要將傳統的基于交流異步電機的壓縮機，改為基于直流無(wú)刷電機的微型壓縮機，工作電壓在12~24V，并且使用鋰電池供電，小小一個(gè)背包在身，一般可以連續4個(gè)小時(shí)以上供氧。具體工作原理請看上一篇推文：《電機制氧-剖析便攜制氧機的工作原理》。

PID的原理與特點(diǎn)

PID算法是在1936年完整提出的，它是一種在自動(dòng)控制技術(shù)中占有非常重要地位的控制方法。PID控制理論從誕生之日就和電機深深捆綁在一起，時(shí)至今日，有電機的地方，一般背后就有PID的身影，例如空調、無(wú)人機、機器人等等。

一、PID的原理

下圖是直流電機的PID調速系統。No(t)是期望得到的電機目標速度，N(t)是電機實(shí)際的速度，U(t)是PID控制器的輸出電壓。No(t)與N(t)相比較，得出的誤差值E(t)=No(t)-N(t)，經(jīng)PID控制器計算后輸出控制電壓U(t)，驅動(dòng)電機改變速度。當實(shí)際速度偏小時(shí)，即No(t)> N(t)，E(t)>0，PID控制器加大U(t)輸出，電機實(shí)際速度將提高；當實(shí)際速度偏大時(shí)，即No(t)<N(t)，E(t)<0，PID控制器減少U(t)輸出，電機實(shí)際速度將降低。

二、PID的特點(diǎn)

PID控制器中有三個(gè)單元，它們的作用和特點(diǎn)分別是：

●   P：Proportion比例，它的作用是放大誤差E(t)，E(t)越大輸出電壓U(t)越大，速度越快被修正回來(lái)，但如果誤差E(t)太大，輸出電壓U(t)就可能過(guò)大、速度會(huì )超調（跑多了）。

●   I：Integral積分，它的作用是將一段時(shí)間內的誤差E(t)累加起來(lái)，累加的值越大，輸出電壓U(t)越大，也就是如果速度長(cháng)時(shí)間只存在一點(diǎn)點(diǎn)誤差，P比例單元不好控制，等一段時(shí)間后，I積分輸出足夠大的電壓，速度才被修正過(guò)來(lái)，這會(huì )有延時(shí)。

●   D：Differential微分，它的作用是將當前的誤差E(t)和上一次的誤差E(t-1)相比較，如果E(t)更大，誤差就有越來(lái)越大的趨勢，就增大電壓U(t)將速度預先修正。

關(guān)于PID深入原理，有興趣的讀者可查閱小編編寫(xiě)的《車(chē)用電機控制與實(shí)踐》一書(shū)。

圖1 PID調速原理

PID是否有“事后諸葛亮”的感覺(jué)？P、I、D中每個(gè)單元都要等誤差出現才做事，沒(méi)誤差就不做事，誤差大就調整大，誤差小就調整小。這會(huì )導致控制反應慢。

ADRC原理與特點(diǎn)

一、ADRC的原理

干擾，或者稱(chēng)擾動(dòng)，是指系統外部的環(huán)境出現變化，或者系統內部特性改變，最終影響了系統的性能。例如上面提到的無(wú)人機的螺旋槳，空氣阻力隨轉速變化，影響電機速度的穩定性，這個(gè)是外部擾動(dòng)；當電機長(cháng)時(shí)間運行后，溫度明顯上升，銅線(xiàn)圈的電阻值升高，原來(lái)預估的給多少V電壓就得到多少A電流的關(guān)系不存在了，這是內部擾動(dòng)。如何實(shí)現快速抗擾動(dòng)的效果，一直是自控工程中最核心的研究工作。自抗擾控制（ADRC）技術(shù)是已故韓京清研究員借鑒經(jīng)典PID控制理論，在1999年正式系統地提出來(lái)的，并發(fā)表了《自抗擾控制技術(shù)》一書(shū)。

圖2 ADRC控制框圖

ADRC的典型控制框圖如上圖，它主要包含跟蹤微分器、狀態(tài)誤差反饋控制律和擴張狀態(tài)觀(guān)測器三大部分組成。

跟蹤微分器

不單要跟蹤用戶(hù)給定的目標速度，還要跟蹤它的變化趨勢，即加速度，例如目標速度瞬間增大，不能像PID那樣等到速度有誤差產(chǎn)生了，才讓D去算差多少、怎樣做，跟蹤微分器實(shí)時(shí)跟蹤著(zhù)加速度，讓后面的環(huán)節立刻跟上。

狀態(tài)誤差反饋控制律

和PID控制器相當，也是根據誤差輸出的，只不過(guò)它不僅要控制速度誤差（跟蹤速度 - 觀(guān)測速度），還要控制加速度（跟蹤加速度 – 觀(guān)測加速度），最終讓這兩個(gè)誤差同時(shí)為零。狀態(tài)誤差反饋控制律的做法有很多選擇，可繁可簡(jiǎn)，對于電機控制，一般使用PID的“P”比例和“D”微分就有不錯的效果；P負責控制速度，讓“跟蹤速度”和“觀(guān)察速度”相等；D 負責控制加速度，讓“跟蹤加速度”和“觀(guān)察加速度”相等。

擴張狀態(tài)觀(guān)測器

這是ADRC的“靈魂”所在，一方面根據實(shí)際速度，觀(guān)測出觀(guān)測速度（理想時(shí)等于實(shí)際速度）和觀(guān)測加速度，參與到狀態(tài)誤差反饋控制律的速度和加速度的調節；另一方面根據實(shí)際速度和控制電壓U，估算出觀(guān)測擾動(dòng)，例如多少電壓、速度就應該多少，這是已知的，如果不是這樣，也就意味著(zhù)有干擾，觀(guān)察擾動(dòng)就疊加到Uo上，調整最終給電機的電壓U，讓速度調整過(guò)來(lái)，其中bo和1/bo是根據驅動(dòng)器調節好的比例參數。有了擴張狀態(tài)觀(guān)測器這個(gè)“自抗擾”的功能，就無(wú)需像PID那樣“躺平”，有誤差來(lái)才做事。

二、ADRC的特點(diǎn)

1. 速度穩定

無(wú)油空氣壓縮機的工作過(guò)程就是要來(lái)回壓縮、排氣，電機在壓縮空氣時(shí)遇到的阻力極大，而排氣時(shí)阻力幾乎為零。如果FOC采用PID算法控制速度，在這種情況下速度無(wú)法很好地穩定，而ADRC依靠擴張狀態(tài)觀(guān)測器，觀(guān)測出擾動(dòng)（阻力變化）后自動(dòng)補償，速度波動(dòng)可以減低5~10倍。如下圖，12V無(wú)油空氣壓縮機，同樣工作在1000RPM（轉/分）, PID調速的速度波動(dòng)在40~50RPM，而ADRC在3~5RPM。采用ADRC的便攜制氧機，工作時(shí)的震動(dòng)更小、噪聲更低。

圖3 PID速度波動(dòng)

圖4 ADRC速度波動(dòng)

2. 完美加減速

PID由于調節速度時(shí)“需要速度誤差”，所以在加速或減速過(guò)程中，往往會(huì )“跑過(guò)頭”，之后才“發(fā)現錯誤”修正回來(lái)，這個(gè)現象稱(chēng)為超調，并且在加速、減速的過(guò)程中，實(shí)際速度往往無(wú)法完全跟隨參考速度，這個(gè)時(shí)候需要更大的電流去調節。ADRC首先依靠擴張狀態(tài)觀(guān)測器修正誤差，然后跟蹤微分器跟蹤著(zhù)加減速，最后采用工業(yè)的S形加減速控制，讓實(shí)際速度和參考速度幾乎完全重合，需要的電流也更小。下面是24V醫療風(fēng)機的對比圖，因為PID在加速和減速時(shí)，實(shí)際速度無(wú)法跟上參考速度，電源需要5A以上，而ADRC 實(shí)際速度和參考速度幾乎完全重合，電源只需3A。采用ADRC控制算法的便攜制氧機將更省電。

圖5 PID加減速

圖6 ADRC加減速

便攜制氧機驅動(dòng)板

致遠電子針對微型無(wú)油空氣壓縮機，出品了便攜制氧機專(zhuān)用的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)板，具有以下特點(diǎn)：

●   優(yōu)化的算法，根據制氧機深度改進(jìn)的無(wú)感FOC算法，傳統無(wú)感FOC算法在此運行會(huì )劇烈震動(dòng)、無(wú)法使用；

●   大范圍轉速  無(wú)感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范圍轉速穩定工作，制氧機能輕松實(shí)現多檔位選擇；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉速下工作；

●   穩定的轉速，ADRC算法替換傳統的PID算法，在1000~3000RPM滿(mǎn)載下，轉速波動(dòng)僅為5RPM左右；其他基于PID的FOC方案約50RPM；方波方案一般無(wú)法勻速，速度會(huì )受吸氧量的影響而波動(dòng)；轉速越穩定，震動(dòng)越小，更安靜、更省電；

●   優(yōu)化加減速，采用工業(yè)伺服的S曲線(xiàn)控制加減速，換擋平順、不抖動(dòng)；

●   穩定且靈活，醫療產(chǎn)品級，基于高性能ARM處理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脈沖輸入調速，過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、堵轉、缺相、功率保護等等。

圖7 便攜制氧機驅動(dòng)板演示DEMO

來(lái)源： ZLG