电机制氧-如何让电机制氧又稳又安静？

便携式制氧机使用微型电机就可制氧!本文将剖析ADRC取代PID控制电机，让便携制氧机更平稳更安静。便携制氧机，因为要随时携带，所以需要微型压缩机的速度稳定、噪声低、能效高。传统的PID算法用在微型压缩机上速度波动较大、效果一般，而ADRC算法能大幅提升性能。

便携制氧机

便携制氧机是在传统插电制氧机的基础上进行小型化。主要将传统的基于交流异步电机的压缩机，改为基于直流无刷电机的微型压缩机，工作电压在12~24V，并且使用锂电池供电，小小一个背包在身，一般可以连续4个小时以上供氧。具体工作原理请看上一篇推文：《电机制氧-剖析便携制氧机的工作原理》。

PID的原理与特点

PID算法是在1936年完整提出的，它是一种在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。PID控制理论从诞生之日就和电机深深捆绑在一起，时至今日，有电机的地方，一般背后就有PID的身影，例如空调、无人机、机器人等等。

一、PID的原理

下图是直流电机的PID调速系统。No(t)是期望得到的电机目标速度，N(t)是电机实际的速度，U(t)是PID控制器的输出电压。No(t)与N(t)相比较，得出的误差值E(t)=No(t)-N(t)，经PID控制器计算后输出控制电压U(t)，驱动电机改变速度。当实际速度偏小时，即No(t)> N(t)，E(t)>0，PID控制器加大U(t)输出，电机实际速度将提高;当实际速度偏大时，即No(t)

二、PID的特点

PID控制器中有三个单元，它们的作用和特点分别是：

● P：Proportion比例，它的作用是放大误差E(t)，E(t)越大输出电压U(t)越大，速度越快被修正回来，但如果误差E(t)太大，输出电压U(t)就可能过大、速度会超调(跑多了)。

● I：Integral积分，它的作用是将一段时间内的误差E(t)累加起来，累加的值越大，输出电压U(t)越大，也就是如果速度长时间只存在一点点误差，P比例单元不好控制，等一段时间后，I积分输出足够大的电压，速度才被修正过来，这会有延时。

● D：Differential微分，它的作用是将当前的误差E(t)和上一次的误差E(t-1)相比较，如果E(t)更大，误差就有越来越大的趋势，就增大电压U(t)将速度预先修正。

关于PID深入原理，有兴趣的读者可查阅小编编写的《车用电机控制与实践》一书。

图1 PID调速原理

PID是否有“事后诸葛亮”的感觉?P、I、D中每个单元都要等误差出现才做事，没误差就不做事，误差大就调整大，误差小就调整小。这会导致控制反应慢。

ADRC原理与特点

一、ADRC的原理

干扰，或者称扰动，是指系统外部的环境出现变化，或者系统内部特性改变，最终影响了系统的性能。例如上面提到的无人机的螺旋桨，空气阻力随转速变化，影响电机速度的稳定性，这个是外部扰动;当电机长时间运行后，温度明显上升，铜线圈的电阻值升高，原来预估的给多少V电压就得到多少A电流的关系不存在了，这是内部扰动。如何实现快速抗扰动的效果，一直是自控工程中最核心的研究工作。自抗扰控制(ADRC)技术是已故韩京清研究员借鉴经典PID控制理论，在1999年正式系统地提出来的，并发表了《自抗扰控制技术》一书。

图2 ADRC控制框图

ADRC的典型控制框图如上图，它主要包含跟踪微分器、状态误差反馈控制律和扩张状态观测器三大部分组成。

跟踪微分器

不单要跟踪用户给定的目标速度，还要跟踪它的变化趋势，即加速度，例如目标速度瞬间增大，不能像PID那样等到速度有误差产生了，才让D去算差多少、怎样做，跟踪微分器实时跟踪着加速度，让后面的环节立刻跟上。

状态误差反馈控制律

和PID控制器相当，也是根据误差输出的，只不过它不仅要控制速度误差(跟踪速度 - 观测速度)，还要控制加速度(跟踪加速度 – 观测加速度)，最终让这两个误差同时为零。状态误差反馈控制律的做法有很多选择，可繁可简，对于电机控制，一般使用PID的“P”比例和“D”微分就有不错的效果;P负责控制速度，让“跟踪速度”和“观察速度”相等;D 负责控制加速度，让“跟踪加速度”和“观察加速度”相等。

扩张状态观测器

这是ADRC的“灵魂”所在，一方面根据实际速度，观测出观测速度(理想时等于实际速度)和观测加速度，参与到状态误差反馈控制律的速度和加速度的调节;另一方面根据实际速度和控制电压U，估算出观测扰动，例如多少电压、速度就应该多少，这是已知的，如果不是这样，也就意味着有干扰，观察扰动就叠加到Uo上，调整最终给电机的电压U，让速度调整过来，其中bo和1/bo是根据驱动器调节好的比例参数。有了扩张状态观测器这个“自抗扰”的功能，就无需像PID那样“躺平”，有误差来才做事。

二、ADRC的特点

1. 速度稳定

无油空气压缩机的工作过程就是要来回压缩、排气，电机在压缩空气时遇到的阻力极大，而排气时阻力几乎为零。如果FOC采用PID算法控制速度，在这种情况下速度无法很好地稳定，而ADRC依靠扩张状态观测器，观测出扰动(阻力变化)后自动补偿，速度波动可以减低5~10倍。如下图，12V无油空气压缩机，同样工作在1000RPM(转/分), PID调速的速度波动在40~50RPM，而ADRC在3~5RPM。采用ADRC的便携制氧机，工作时的震动更小、噪声更低。

图3 PID速度波动

图4 ADRC速度波动

2. 完美加减速

PID由于调节速度时“需要速度误差”，所以在加速或减速过程中，往往会“跑过头”，之后才“发现错误”修正回来，这个现象称为超调，并且在加速、减速的过程中，实际速度往往无法完全跟随参考速度，这个时候需要更大的电流去调节。ADRC首先依靠扩张状态观测器修正误差，然后跟踪微分器跟踪着加减速，最后采用工业的S形加减速控制，让实际速度和参考速度几乎完全重合，需要的电流也更小。下面是24V医疗风机的对比图，因为PID在加速和减速时，实际速度无法跟上参考速度，电源需要5A以上，而ADRC 实际速度和参考速度几乎完全重合，电源只需3A。采用ADRC控制算法的便携制氧机将更省电。

图5 PID加减速

图6 ADRC加减速

便携制氧机驱动板

致远电子针对微型无油空气压缩机，出品了便携制氧机专用的无刷直流电机驱动板，具有以下特点：

● 优化的算法，根据制氧机深度改进的无感FOC算法，传统无感FOC算法在此运行会剧烈震动、无法使用;

● 大范围转速 无感FOC算法支持低速大扭矩，能在50~3500RPM大范围转速稳定工作，制氧机能轻松实现多档位选择;其他方案一般只能在1000~3000RPM小范围转速下工作;

● 稳定的转速，ADRC算法替换传统的PID算法，在1000~3000RPM满载下，转速波动仅为5RPM左右;其他基于PID的FOC方案约50RPM;方波方案一般无法匀速，速度会受吸氧量的影响而波动;转速越稳定，震动越小，更安静、更省电;

● 优化加减速，采用工业伺服的S曲线控制加减速，换挡平顺、不抖动;

● 稳定且灵活，医疗产品级，基于高性能ARM处理器，DC12~24V/120W，1~2ms PWM脉冲输入调速，过流、过压、欠压、堵转、缺相、功率保护等等。

图7 便携制氧机驱动板演示DEMO

审核编辑：汤梓红