?微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)：一般說(shuō)來(lái)，微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)所關(guān)心的主要功能，就是其微電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩M以及轉(zhuǎn)數(shù)n。這兩個(gè)參數(shù)共同作用，在合理機(jī)械結(jié)構(gòu)的延展下，微電機(jī)就可以作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備，也就是一般自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)中的執(zhí)行器。實(shí)質(zhì)上，它就是將輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)地以轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)數(shù)的形式輸出。
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?我們知道電動(dòng)機(jī)輸入信號(hào)是電壓或是電流，對(duì)這些電信號(hào)在時(shí)域上合理編排，并且輸出正確的電信號(hào)序列，就是控制器的功能。?
三相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖
上圖是一個(gè)三相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包含三相電源，整流逆變電路，數(shù)字控制器，角度編碼器以及微型電動(dòng)機(jī)，這也構(gòu)成了一個(gè)基本的閉環(huán)反饋控制結(jié)構(gòu)。中間的整流逆變電路即能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC以及DC/AC，即交流-直流，直流-交流的轉(zhuǎn)換，在中間會(huì)用到PWM改變信號(hào)幅值以及頻率。
?基本的級(jí)聯(lián)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu) 級(jí)聯(lián)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)可變的驅(qū)動(dòng)
在一個(gè)級(jí)聯(lián)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，會(huì)有不止一個(gè)反饋環(huán)節(jié)來(lái)構(gòu)成閉環(huán)，而是會(huì)有好幾個(gè)連續(xù)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像俄羅斯套娃。
都是外加擾動(dòng)項(xiàng)。n*,M*,I*都是目標(biāo)值。這是總體的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。可以適用于直流電機(jī)，同步電機(jī)以及異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。
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?直流電機(jī)的受控模型
?直流電機(jī)的控制可以直接使用之前的直流電機(jī)模型、電壓、轉(zhuǎn)矩和功率，于是有
?
使勵(lì)磁強(qiáng)度不變，把其他因素認(rèn)為機(jī)械常數(shù)，簡(jiǎn)稱增益K1則電樞電路感應(yīng)電壓
。考慮電樞電流iA暫態(tài)，電樞電感為L(zhǎng)A，電壓方程應(yīng)為： 
可以改寫(xiě)為： 
同理，設(shè)增益K2有
，
并考慮轉(zhuǎn)子機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程： 
轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，機(jī)械轉(zhuǎn)數(shù)Ω=2πn，負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML： 
?
如果把電樞電壓UA視為控制輸入，負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML視為擾動(dòng)輸入，則設(shè)電樞時(shí)間常數(shù)為
，電樞增益
，機(jī)械時(shí)間常數(shù)
。對(duì)該線性系統(tǒng)做拉普拉斯變換： 
整理可得： 
系統(tǒng)輸入電壓輸出電流的傳遞函數(shù)Gs(s)以及擾動(dòng)的傳遞函數(shù)Gz(s)，它們之間有關(guān)系： 
于是可以畫(huà)出恒定勵(lì)磁下的直流電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖??
直流電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖
其中TA是一階環(huán)節(jié)
的時(shí)間常數(shù)，
表示積分環(huán)節(jié)?？梢?jiàn)，微型電機(jī)本身就有一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，有可能自治穩(wěn)定。但是由于微電機(jī)系統(tǒng)本身具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以自帶的轉(zhuǎn)數(shù)反饋用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓 Ui的影響，相對(duì)于快速變化的電流/轉(zhuǎn)矩而言過(guò)小，可以忽略。
?直流電機(jī)的電流環(huán)反饋控制
?如果我們希望電流完全受控，那就要引入一個(gè)完整的控制環(huán)節(jié)，比如使用PI控制器，其比例積分增益為KP，積分時(shí)間常數(shù)為T(mén)i。?
直流電機(jī)的電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖
其傳遞函數(shù)為： 
由于控制信號(hào)會(huì)有延遲，但是影響不大，延遲時(shí)間Tst可以約化為一階環(huán)節(jié)： 
忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)影響，則原來(lái)的電壓電流傳遞函數(shù)Gs(s)可以進(jìn)一步化為時(shí)間常數(shù)分別為T(mén)1T2的極點(diǎn)形式： 
以一些合理參數(shù)為例，其伯德圖為：直流電機(jī)電壓電流傳遞函數(shù)伯德圖
所以電流控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
假設(shè)延遲時(shí)間Tst<<T1,T2,TM并且T1>T2，故取Ti=T1，則： 
則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
電流閉環(huán)增益
時(shí)間常數(shù)
，其在不同比例積分增益Kp下有不同的閉環(huán)增益和閉環(huán)時(shí)間常數(shù)。
?
?直流電機(jī)電流環(huán)增益變大的伯德圖
可知，通過(guò)提高KP可以增大電流環(huán)帶寬。
?直流電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)環(huán)反饋控制
?如果想對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行控制，可以在電流環(huán)外面再套上一圈轉(zhuǎn)數(shù)環(huán)(速度環(huán))，進(jìn)行反饋控制。可以再度使用一個(gè)PI控制器，并忽略電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速反饋影響，于是有速度環(huán)的框圖。 
??直流電機(jī)的速度環(huán)框圖
把延遲的積分環(huán)節(jié)融入控制環(huán)，速度環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 
如果選取時(shí)間常數(shù)使用對(duì)稱最優(yōu)，那么只有當(dāng)Ti,n>Tg,i時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定，否則開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的相位會(huì)有φK<-π。可以從伯德圖中看出 
? 直流電機(jī)速度環(huán)開(kāi)環(huán)伯德圖
那么如何求出合適的比例積分增益以及時(shí)間常數(shù)呢？首先考察這個(gè)齊次項(xiàng)
，它的相角為：φ0=arctan(Ti,nω?)-arctan(Ti,nω?)??
?對(duì)其求導(dǎo)，可知其最大相角的頻率為
。速度環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率ω?d，選為最大頻率，即|FK,n(ω?m)|=1。于是相角差為：ψd=?φ??K(ωd)+π=ψ?0(ωm?)?設(shè)比例積分時(shí)間常數(shù)和電流環(huán)時(shí)間常數(shù)有關(guān)系Ti,n=a2Tg,i，則
，
于是相角差： 
反求出： 
舍去負(fù)根，則：a=a(ψd)=tan(ψd)+sec(ψd)??而開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率可得|Fk,n(ωd)|=1 ，可求： 
于是速度環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 
則速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 
則閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖為： 
?直流電機(jī)速度環(huán)閉環(huán)伯德圖
可見(jiàn)，穿越頻率決定了帶寬大小
?直流電機(jī)的位置環(huán)反饋控制
?最后考慮位置環(huán)的反饋控制，由于速度環(huán)形成的閉環(huán)控制回路已經(jīng)近似具備低通濾波器的效果，因此考慮再進(jìn)行一次一階系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似 
在位置環(huán)使用最簡(jiǎn)單的比例控制器，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： 
于是它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 
?不過(guò)只使用比例控制器會(huì)有穩(wěn)態(tài)誤差，對(duì)轉(zhuǎn)子位置角精度不嚴(yán)格要求的情況下可以這么設(shè)計(jì)。其閉環(huán)伯德圖為直流電機(jī)位置環(huán)閉環(huán)伯德圖
最后，讓我們綜合一下前面所有的閉環(huán)控制，可以得到一張完整的嵌套式控制回路。?
? 直流電機(jī)級(jí)聯(lián)閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)(標(biāo)出反饋環(huán)結(jié)構(gòu))
直流電機(jī)的控制相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，所有的控制結(jié)構(gòu)都可以是線性系統(tǒng)，?可以使用經(jīng)典控制理論詮釋和設(shè)計(jì)
