一、串级控制
在控制理论中，串级控制是改善控制性能的一大有效方法。
所谓串级控制，就是采用多个控制器串联工作，外控制器输出作为内环的输入，而内环控制器输出去控制执行器，从而提升控制效果。
这种设计方法极大提升了控制系统的抗干扰能力。
对于电机控制系统而言，速度+电流的闭环控制，增加了对电流本身的控制，不至于在特殊时刻超调。同时，两个控制器协同工作，提高了响应时间。
二、引入电流闭环后的问题
1.电流截至控制
2. 积分限幅
不详细展开讲了，这些前面都涉及到
三、双闭环
内环：对时间要求高，实时响应需求高，采样频率高
外环：对时间要求较低，采样频率较低。
为什么电流需要放到内环？
第二次工业革命时期，人类主要采用的是单电压控制。后来由于工业、军事领域对控制电路负载调制率和响应速度的不断提高，电压环显得不再可靠。
为什么电压不可靠？大家是否还记得第一次学自动控制原理时的一道例题，
某LC系统如下：
电源电压为，
电容电流、电感电压在单位阶跃信号输入下的零状态响应，
则推导出电容两端电压为，
其中，
两边做拉氏变换并化简得，
由于是单位阶跃信号，则输入与输出之间的传递函数为，
它很明显是个二阶系统
电压是一个经过电感电容（近似二阶系统）后的表现值，系统滞后性很大，环路控制较慢。
然而电流，却是直接经过一阶环节形成的，对系统变化的敏感度较高。
根据控制量的物理形成规律，我们设计出了电压（转速）外环，电流内环的控制方法。
当然，也有些情况下会出现电流外环，电压内环的系统，这里不做过多讲解。
四、重要控制框架介绍
接下来介绍位置速度电流三闭环系统的控制框架，
PID_TypeDef cPID,sPID,lPID;
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
__IO int32_t ADC_Resul= 0;
__IO float Volt_Result = 0;
__IO float ADC_CurrentValue;
// ADC结果，电压结果，adc电流值初始化
if(uwTick % 100 == 0)
{ //距离环中断
//计算计数器绝对计数值
Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
//进行距离PID
if(Start_flag == 1)
{
//获得了速度占空比
tmpPWM_DutySpd = LocPIDCalc(Sample_Pulse);
//速度占空比不能超过设定最大值
if(tmpPWM_DutySpd >= TARGET_SPEED)
tmpPWM_DutySpd = TARGET_SPEED;
if(tmpPWM_DutySpd <= -TARGET_SPEED)
tmpPWM_DutySpd = -TARGET_SPEED;
}
}
if(uwTick % 100 == 0)
{
//速度环中断
//这里不能用获取counter再清零的方式算转速，因为我们还要算绝对位置
//所以用两次绝对量做差算速度
Sample_Pulse = (OverflowCount*CNT_MAX) + (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_Encoder);
Spd_PPS = Sample_Pulse - LastSample_Pulse;
LastSample_Pulse = Sample_Pulse ;
//计算实际转速 脉冲总数/PPR/减速比/倍频系数 * 频率 * 单位换算
Spd_RPM = ((((float)Spd_PPS/(float)PPR)*10.0f)*(float)60);//µ¥Î»ÊÇrpm
//进行速度PID计算
if(Start_flag == 1)
{
sPID.SetPoint = tmpPWM_DutySpd;
tmpPWM_Duty = SpdPIDCalc(Spd_RPM);
if(tmpPWM_Duty < 0)
{
Motor_Dir = CW;
BDDCMOTOR_DIR_CW();
tmpPWM_Duty = -tmpPWM_Duty;
}
else
{
Motor_Dir = CCW;
BDDCMOTOR_DIR_CCW();
}
//电流占空比只能是正数，在依据占空比正负进行方向控制的同时，取绝对值
//进行电流限幅
if(tmpPWM_Duty >= TARGET_CURRENT)
tmpPWM_Duty = TARGET_CURRENT;
}
}
if(uwTick % 40 == 0)
{
ADC_Resul = AverSum/AverCnt ;
//这个前面说过了
OffsetCnt_Flag++;
if(OffsetCnt_Flag >= 16)
{
if(OffsetCnt_Flag == 16)
{
OffSetHex /= OffsetCnt_Flag-1;
}
OffsetCnt_Flag = 32;
ADC_Resul -= OffSetHex;
}
else
OffSetHex += ADC_Resul;
Volt_Result = ( (float)( (float)(ADC_Resul) * VOLT_RESOLUTION) );
ADC_CurrentValue = (float)( (Volt_Result / GAIN) / SAMPLING_RES);
if(Volt_Result<0)
Volt_Result = 0;
AverCnt = 0;
AverSum = 0;
//最后的区别就在于我们电流PID输入量以速度环输出为准
if(Start_flag == 1)
{
cPID.SetPoint = tmpPWM_Duty ;
PWM_Duty = CurPIDCalc( (int32_t)ADC_CurrentValue);
if(PWM_Duty >= BDCMOTOR_DUTY_FULL)
PWM_Duty = BDCMOTOR_DUTY_FULL;
if(PWM_Duty <=0)
PWM_Duty = 0;
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1,PWM_Duty);
}
printf("LOC:%d Sped: %2.2f r/m Curr: %d mA \n",Sample_Pulse,
Spd_RPM ,(int32_t)ADC_CurrentValue);
}
}需要注意的是，它这里采用了占空比直接等价换算为速度的计算方式，在实际工程中大家可能需要进行合理的换算（下一小段开始简单讲述这个问题）。
因为此章节结束后，一定会有些同学已经开始上手做项目，我将在这里梳理一遍控制系统的设计顺序，避免让大家犯错。
五、控制系统设计的前期准备
设计一个控制系统，我们首先要搞清楚控制量是什么。在速度控制中，我们就是采取速度输入为控制量。
其次，我们需要确定控制对象，在速度环中我们采用电机转速为控制对象。
然后，分析执行器在开环工作下输入与控制对象的关系，这个过程称为开环建模
开环建模不可能建立完全准确的模型，这也就让PID算法应运而生。但是，较为准确的开环建模可以与闭环构成 前馈-反馈复合控制系统，利用系统输入与输出之间较为准确的关系，快速将输出给到目标值附近，减轻了闭环系统的负担。
对于常见的直流有刷电机，我们可以默认电机两端电压和转速是近似线性的。这意味着我们可以把占空比平均的分配到转速刻度上，换句话说我们的PWM定时器ARR可以是转速的常数倍。规则设定后，每次进行PID转PWM输出前必须进行换算。
对于无刷、永磁等结构复杂的电机，内部硬件结构变化多端，品类区分繁杂，所以在进行闭环系统设计前我们必须进行一次较为严谨的开环建模，以提升控制性能。
六、总结
本专栏前半部分内容全部完结，此部分主要讲述在直流有刷背景下的经典控制算法的电机应用，是后续六步控制、FOC、弱磁等更高级控制算法的基础。
在后续内容中，我们将揭开PID黑盒模型的外衣，利用电机中相位、磁通等更近实质的物理量，实现性能更强的控制