[发明专利]一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制器及控制方法

权利要求书

1.一种用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，包括降压变换器、直流电机系统以及分数阶PID控制器；分数阶PID控制器的输出端通过降压变换器与直流电机系统相连，为直流电机提供稳定平滑的输入电压；分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，误差信号为电机的参考速度和实际速度之差。

2.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，降压变换器包括低通滤波电路，低通滤波电路包括全控型开关管IGBT、续流二极管、滤波电感和电容；电容两端作为输出端并联在直流电机上；全控型开关管作为输入端与分数阶PID控制器的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，直流电机采用基于脉宽调制的输入电压驱动直流电机，包括电枢和励磁绕组，励磁绕组与降压变换器的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统，其特征在于，分数阶PID控制器包括分数阶PID控制器和PWM模块，分数阶PID控制器的输入端输入误差信号，输出端连接PWM模块；PWM模块通过门驱动器将信号输出至降压变换器。

5.一种权利要求4所述的用于直流电机的独立数字分数阶PID控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化分数阶PID控制器的寄存器、定时器、ADC端口和GPIO端口，输入和出错变量被分配初始值；ADC端口获取电机的实际速度读数；

2)连续计算参考速度和实际速度之间的误差，并由分数阶PID控制器控制变量最小化；

3)然后将分数阶PID控制器的控制信号提供给PWM模块以调节全控型开关管IGBT的开关。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，降压变换器与直流电机采用状态空间平均法建模进行分析，得到传递函数；分数阶PID控制器的传递函数C(s)如式(1)：

C(s)＝kp+kis-α+kdsβ,(α,β＞0) (1)

其中，kp是比例常数，ki是积分常数，kd是导数常数，α和β是正实数；

对于分数阶算子离散化，在连续时间内拟合频域，然后进行离散拟合连续传递函数；分数阶算子sα采用Tustin近似法的离散方法，选择0.001作为采样时间进行离散化；Tustin近似法和双线性方法使用如式(2)所示的以下近似来涉及s域和z域传递函数：

z = e sT s ≈ 1 + sT s / 2 1 - sT s / 2 - - - ( 2 ) ]]>

在连续离散转换中，连续传递函数C(s)的离散化Cd(z)由式(3)导出；

Cd(z)＝C(s′) (3)

其中，

在频率ωL＝1rad/s和ωH＝10000rad/s的期望频带内s0.2的数字分数微分器的最佳极零算法得到极点和零点；然后得到数字分数微分器s0.2的波特图，描述出具有Tustin近似法的数字微分器与连续时间微分器紧密匹配；数字积分器与数字微分器的设计方法相同。