电机怎么制作氧气（电制氧机工作原理）

便携式制氧机采用微型电机产生氧气！本文将分析ADRC如何替代PID控制电机，使便携式制氧机更稳定、更安静。便携式制氧机由于需要随时携带，因此需要转速稳定、噪音低、能效高的微型压缩机。微型压缩机上使用的传统PID算法速度波动大、效果一般，而ADRC算法可以大大提高性能。

便携式制氧机

便携式制氧机是在传统插入式制氧机的基础上小型化的。主要是将基于交流异步电机的传统压缩机改为基于无刷直流电机的微型压缩机。工作电压12~24V，锂电池供电。可以放在小背包里携带，一般可以续航4小时。以上提供氧气。具体工作原理请参见之前推文：《电动制氧机-便携式制氧机工作原理分析》。

PID原理及特点

PID算法于1936年被完整提出，是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。 PID控制理论自诞生以来就与电机有着紧密的联系。如今，凡是有电机的地方，背后通常都会有PID，比如空调、无人机、机器人等。

1、PID原理下图所示为直流电机的PID调速系统。 No(t)是电机的预期目标速度，N(t)是电机的实际速度，U(t)是PID控制器的输出电压。将No(t)与N(t)进行比较，得到误差值E(t)No(t)-N(t)。经PID控制器计算后，输出控制电压U(t)，驱动电机改变转速。当实际转速太小时，即No(t)N(t)，E(t)0，PID控制器增加U(t)输出，电机的实际转速会增加；当实际速度太大时，即No(t) )

2、PID的特点

PID控制器共有三个单元。它们的作用和特点是：

P：比例比，其作用是放大误差E(t)。 E(t)越大，输出电压U(t)越大，校正速度越快。但如果误差E(t)太大，则输出电压U(t)可能太大，速度可能超调（跑太多）。 I：积分积分。其作用是累计一段时间内的误差E(t)。累加值越大，输出电压U(t)越大。也就是说，如果长时间内速度只有一点误差，P比例单位就很难控制。经过一段时间后，I积分输出足够大的电压，然后才进行速度校正。这会导致延迟。

D：微分微分。它的作用是比较当前误差E(t)和上次误差E(t-1)。如果E(t)较大，误差会趋于越来越大，因此增大电压U(t)来预校正速度。

关于PID的深入原理，有兴趣的读者可以参考小编写的《车辆电机控制与实践》一书。

图1 PID调速原理

PID是不是有一种“事后诸葛亮”的感觉？ P、I 和D 中的每个单元必须等待错误出现才能执行任何操作。如果没有错误，它不会做任何事情。如果误差较大，则调整得较大。如果误差较小，则将其调小。这导致控制响应缓慢。

ADRC原理及特点

1. 自抗扰控制器的原理

干扰，或扰动，是指系统外部环境的变化或系统内部特性的变化，最终影响系统的性能。例如，在上述无人机的螺旋桨中，空气阻力随着转速的变化而变化，从而影响电机转速的稳定性。这是外部干扰；电机长时间运行时，温度明显升高，铜线圈的电阻值增大。获得多少A 电流与提供多少V 电压之间的关系不再存在。这是一种内部骚乱。如何实现快速的抗干扰效果一直是自动控制工程的核心研究工作。自抗扰控制（ADRC）技术是由已故研究员韩景清在经典PID控制理论的基础上于1999年正式系统提出的，并出版了《自动抗扰控制技术》一书。图2 ADRC控制框图ADRC的典型控制框图如上所示。它主要由跟踪微分器、状态误差反馈控制律和扩展状态观测器三部分组成。

跟踪微分器

不仅要跟踪用户给出的目标速度，还要跟踪其变化趋势，即加速度。例如，目标速度瞬间增加。它不能像PID一样等到速度出现误差，然后让D计算差值，怎么做。跟踪微分器实时跟踪加速度，使后续链路能够立即赶上。状态误差反馈控制律

与PID控制器类似，也是根据误差进行输出，只不过它不仅控制速度误差（跟踪速度-观测速度），还控制加速度（跟踪加速度-观测加速度），最终使得这两个误差同时为零。状态误差反馈控制律有多种选择，可以是复杂的，也可以是简单的。对于电机控制，一般采用PID的“P”比例和“D”微分有良好的效果； 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，使“跟踪加速度”和“观察加速度”相等。扩展状态观察者

这就是ADRC的“灵魂”。一方面，根据实际速度观测观测速度（理想情况下等于实际速度）和观测加速度，参与状态误差反馈控制律的速度和加速度的调整；另一方面，根据实际速度和控制电压U，估计已知的观察到的干扰，例如电压和速度。如果没有，说明有干扰。观察到的干扰叠加在Uo 上，并调整电机的最终电压。 U，让速度进行调整，其中bo和1/bo是根据驾驶员调整的比例参数。有了扩展状态观测器的“自抗扰”功能，就不用像PID那样“躺着”，只在出现错误时才做事。 2. ADRC的特点

1.速度稳定

无油空压机的工作过程是来回压缩和排气。电机在压缩空气时遇到很大的阻力，但排气时的阻力几乎为零。如果FOC使用PID算法来控制速度，这种情况下速度不能很好地稳定，但ADRC依靠膨胀状态观测器在观察到扰动（电阻变化）后自动补偿，速度波动可以减少5倍至10次。如下图所示，12V无油空压机同样工作在1000RPM（转/分钟），PID调速的速度在40~50RPM之间波动，ADRC在3~5RPM之间。 ADRC的便携式制氧机在运行过程中振动更小、噪音更低。

图3 PID速度波动

图4 ADRC速度波动

2.完美的加减速

由于PID在调节速度时“需要速度误差”，因此在加速或减速过程中往往会“超限”，然后“找到误差”并修正回来。这种现象称为超调，在加减速过程中，实际速度往往不能完全跟随参考速度。这时就需要更大的电流来调节。 ADRC首先依靠扩展状态观测器修正误差，然后跟踪微分器跟踪加减速度，最后采用工业S形加减速度控制，使实际速度与参考速度几乎完全重合，并且当前速度所需的较小。以下为24V医用风扇对比图。因为PID加减速时，实际速度跟不上给定速度，电源需要5A以上。然而，ADRC的实际速度和参考速度几乎完全重叠，并且电源仅需要3A。使用ADRC 控制算法的便携式制氧机将节省更多电量。

图5 PID加减速

图6ADRC加减速

便携式制氧机驱动板

针对微型无油空压机，致远电子生产了便携式制氧机专用的无刷直流电机驱动板，具有以下特点：

优化算法，基于制氧机无感FOC算法深度改进，传统无感FOC算法在这里运行时会震动剧烈，无法使用；大范围速度无感FOC算法支持低速大扭矩，可在50~3500RPM的宽范围内运行稳定，制氧机可轻松实现多档位选择；其他方案一般只能工作在1000~3000RPM的小转速范围内；转速稳定，采用ADRC算法替代传统PID算法，满载情况下转速波动1000~3000RPM。转速只有5RPM左右；其他基于PID的FOC解决方案约为50RPM；方波解一般不能达到匀速，受氧吸收的影响，速度会出现波动；速度越稳定，振动越小，更安静、更省电；优化加减速，采用工业伺服S曲线控制加减速，换档平稳，无抖动；稳定灵活，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、断电保护等。图7 便携式制氧机驱动板演示