【解決方案】電機制氧-如何讓電機制氧又穩(wěn)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(wěn)更安靜。

便攜制氧機，因為要隨時攜帶，所以需要微型壓縮機的速度穩(wěn)定、噪聲低、能效高。傳統(tǒng)的PID算法用在微型壓縮機上速度波動較大、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(tǒng)插電制氧機的基礎(chǔ)上進行小型化。主要將傳統(tǒng)的基于交流異步電機的壓縮機，改為基于直流無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，小小一個背包在身，一般可以連續(xù)4個小時以上供氧。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

PID算法是在1936年完整提出的，它是一種在自動控制技術(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，時至今日，有電機的地方，一般背后就有PID的身影，例如空調(diào)、無人機、機器人等等。

一、PID的原理下圖是直流電機的PID調(diào)速系統(tǒng)。No(t)是期望得到的電機目標(biāo)速度，N(t)是電機實際的速度，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(qū)動電機改變速度。當(dāng)實際速度偏小時，即No(t)> N(t)，E(t)>0，PID控制器加大U(t)輸出，電機實際速度將提高；當(dāng)實際速度偏大時，即No(t)<N(t)，E(t)<0，PID控制器減少U(t)輸出，電機實際速度將降低。

二、PID的特點

PID控制器中有三個單元，它們的作用和特點分別是：

• 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，但如果誤差E(t)太大，輸出電壓U(t)就可能過大、速度會超調(diào)（跑多了）。

I：Integral積分，它的作用是將一段時間內(nèi)的誤差E(t)累加起來，累加的值越大，輸出電壓U(t)越大，也就是如果速度長時間只存在一點點誤差，P比例單元不好控制，等一段時間后，I積分輸出足夠大的電壓，速度才被修正過來，這會有延時。

D：Differential微分，它的作用是將當(dāng)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，誤差就有越來越大的趨勢，就增大電壓U(t)將速度預(yù)先修正。

關(guān)于PID深入原理，有興趣的讀者可查閱小編編寫的《車用電機控制與實踐》一書。

圖1 PID調(diào)速原理

PID是否有“事后諸葛亮”的感覺？P、I、D中每個單元都要等誤差出現(xiàn)才做事，沒誤差就不做事，誤差大就調(diào)整大，誤差小就調(diào)整小。這會導(dǎo)致控制反應(yīng)慢。

ADRC原理與特點

一、ADRC的原理

干擾，或者稱擾動，是指系統(tǒng)外部的環(huán)境出現(xiàn)變化，或者系統(tǒng)內(nèi)部特性改變，最終影響了系統(tǒng)的性能。例如上面提到的無人機的螺旋槳，空氣阻力隨轉(zhuǎn)速變化，影響電機速度的穩(wěn)定性，這個是外部擾動；當(dāng)電機長時間運行后，溫度明顯上升，銅線圈的電阻值升高，原來預(yù)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(nèi)部擾動。如何實現(xiàn)快速抗擾動的效果，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(tǒng)地提出來的，并發(fā)表了《自抗擾控制技術(shù)》一書。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)觀測器三大部分組成。

跟蹤微分器

不單要跟蹤用戶給定的目標(biāo)速度，還要跟蹤它的變化趨勢，即加速度，例如目標(biāo)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，跟蹤微分器實時跟蹤著加速度，讓后面的環(huán)節(jié)立刻跟上。

狀態(tài)誤差反饋控制律

和PID控制器相當(dāng)，也是根據(jù)誤差輸出的，只不過它不僅要控制速度誤差（跟蹤速度?-?觀測速度），還要控制加速度（跟蹤加速度?–?觀測加速度），最終讓這兩個誤差同時為零。狀態(tài)誤差反饋控制律的做法有很多選擇，可繁可簡，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(fù)責(zé)控制速度，讓“跟蹤速度”和“觀察速度”相等；D 負(fù)責(zé)控制加速度，讓“跟蹤加速度”和“觀察加速度”相等。

擴張狀態(tài)觀測器

這是ADRC的“靈魂”所在，一方面根據(jù)實際速度，觀測出觀測速度（理想時等于實際速度）和觀測加速度，參與到狀態(tài)誤差反饋控制律的速度和加速度的調(diào)節(jié)；另一方面根據(jù)實際速度和控制電壓U，估算出觀測擾動，例如多少電壓、速度就應(yīng)該多少，這是已知的，如果不是這樣，也就意味著有干擾，觀察擾動就疊加到Uo上，調(diào)整最終給電機的電壓U，讓速度調(diào)整過來，其中bo和1/bo是根據(jù)驅(qū)動器調(diào)節(jié)好的比例參數(shù)。有了擴張狀態(tài)觀測器這個“自抗擾”的功能，就無需像PID那樣“躺平”，有誤差來才做事。

二、ADRC的特點

1. 速度穩(wěn)定

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

圖3?PID速度波動

圖4?ADRC速度波動

2. 完美加減速

PID由于調(diào)節(jié)速度時“需要速度誤差”，所以在加速或減速過程中，往往會“跑過頭”，之后才“發(fā)現(xiàn)錯誤”修正回來，這個現(xiàn)象稱為超調(diào)，并且在加速、減速的過程中，實際速度往往無法完全跟隨參考速度，這個時候需要更大的電流去調(diào)節(jié)。ADRC首先依靠擴張狀態(tài)觀測器修正誤差，然后跟蹤微分器跟蹤著加減速，最后采用工業(yè)的S形加減速控制，讓實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(yī)療風(fēng)機的對比圖，因為PID在加速和減速時，實際速度無法跟上參考速度，電源需要5A以上，而ADRC 實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(qū)動板

致遠(yuǎn)電子針對微型無油空氣壓縮機，出品了便攜制氧機專用的無刷直流電機驅(qū)動板，具有以下特點：

優(yōu)化的算法，根據(jù)制氧機深度改進的無感FOC算法，傳統(tǒng)無感FOC算法在此運行會劇烈震動、無法使用；大范圍轉(zhuǎn)速??無感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范圍轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作，制氧機能輕松實現(xiàn)多檔位選擇；其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉(zhuǎn)速下工作；穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，ADRC算法替換傳統(tǒng)的PID算法，在1000~3000RPM滿載下，轉(zhuǎn)速波動僅為5RPM左右；其他基于PID的FOC方案約50RPM；方波方案一般無法勻速，速度會受吸氧量的影響而波動；轉(zhuǎn)速越穩(wěn)定，震動越小，更安靜、更省電；優(yōu)化加減速，采用工業(yè)伺服的S曲線控制加減速，換擋平順、不抖動；穩(wěn)定且靈活，醫(yī)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(diào)速，過流、過壓、欠壓、堵轉(zhuǎn)、缺相、功率保護等等。

圖7?便攜制氧機驅(qū)動板演示DEMO