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（包括大小和方向）可以反映当前及稍后系统被调量的变化趋势，因此，微分调节并不是等被调量已经出现较大偏差后才动作，而是提前动作。在相当于赋予了调节器一某种程度的“预见性”，这对于防止系统被调量出现较大动态偏差是有利的。
但是，单纯的微分调节器是不能工作的。这是因为任何实际的调节器都有一定的失灵区，如果系统被调量一直是以难以察觉的速度缓慢变化时，调节器并不动作。但被调量的偏差却是可能积累到相当大的数值而得不到校正，这种情况当然是不希望出现的。因此，单纯的微分调节只能起辅助调节作用，不能单独使用。在实际使用中，它往往与P或PI结合成PD或PID调节规律。
PD调节规律，有以下结论： （1）PD调节也是有差调节。这是因为在稳态情况下，de/dt为零，微分部分已不起作用，PD调节已变成了P调节。
（2）PD调节具有提高系统稳定性，抑制过度过程最大动态偏差（或超调）的作用。这是因为微分作用总是力图阻止被调量的变化，而使过度过程的变化速度趋向平缓的缘故。
（3）PD调节有利于减小系统静差（稳态误差），提高系统的响应速度。这是因为微分作用的适度增强，在保持过度过程衰减率不变的情况下，可以适当减小比例带，即适当增加系统的开环增益，这不仅使系统的稳态得以减小，而且也可以使系统的频带得到加宽，提高了系统的响应速度。
（4）PD调节也有一些不足之处，首先，PD调节一般只适应于时间常数较大或多容过程，不适用于流量、压力的一些变化剧烈的过程。其次，当微分作用太强时（TD较大）会导致系统中的调节阀频繁开启，容易造成系统振荡。因此，PD调节一般总是以比例动作为主，微分动作为辅。另外，微分调节对于纯延时过程是无效的。
PID是比例、积分、微分控制规律的线性组合。他吸取了比例调节的快速反应功能、积分调节的消除静差功能以及微分调节的预测功能，而弥补了三者的不足，取长补短。很显然，从控制效果上看，应该是比较理想的一种控制规律。另外，从控制理论的观点来看，与PD相比，PID提高了系统的无差度。与PI相比，PID多了一个零点，为动态性能的改善提供了可能。因此，PID兼顾了静态和动态两方面的控制要求，可以取得较为满意的调节效果。
但是，事物都是一分为二的。虽然PID三作用调节器的性能效果比较理想，但并不意味着在任何情况下都可以采用PID三作用调节器。至少有一点可以说明，PID三个作用调节器要整定三个参数，在工程上很难将三个作用参数都能整定得最佳。如何参数整定的不合理，就难以发挥各个调节作用的长处，弄得不好还会适得其反。 PID（比例、积分、微分）控制算法常用于需要对变化的条件进行校正的闭环控制系统。PID的基本概念实际测量值与设定值之间的偏差e(t)，按比例－积分－微分的函数关系进行线性组合构成控制量u(t)，然后用u(t)对控制对象进行控制。
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其控制规律为：
u?KP(e?式中
K——比例常数。 T——积分常数。 T——微分常数。
p1D?T11t0edt?TDde)? （5.2） dtu0在数字控制中，采用对模拟信号进行离散化处理的方法。设采样周期为T用t=kT代替地k个采样时刻的时间，可得离散的增量式PID控制算法为：
?uk?Kp?ek? ?TD?e?T1kTT2e
k2Kp?ek?KIek?KD?ek （5.3）
式中 ?uk——第k个采样时刻的控制量与第k－1个采样时刻的控制量之差
e——第k个采样时刻的偏差
?e——第k个采样时刻的偏差与第k－1个采样时刻的系统偏差之差
kk对于无刷直流电动机调速控制系统，转速调节器是整个系统的外环，它使电机转速随给定转速变化，静态无误差，并且其输出限幅为允许的最大电流，对负载的变化起抗干扰作用。在数字控制中，转速的给定值由微机的A/D转换单元或由I/O口输入。速度反馈信号与给定的速度信号相减得到速度误差ek，由于无刷直流电动机具有较好的动态性能，一般只需要通过PI算法得到新的电流参考值；
i?k?ik?1?kp(ek?ek?1)?kITek （5.4）
?要想获得良好的动态性能，必须适当地选择比例系数KP、积分系数KI和采样周期T三个参数的值。速度采样周期T可以根据实际需要改变。
电流调节器使电流在速度调节中跟随给定转速变化，起动是获得最大的允许电流，过载时限制电枢电流最大值，同时对电网电压波动起抗干扰作用。其实整个电流调整过程也就是PWM输出信号的变化过程。通过调整PWM信号的占空比就可以调整电流的平均值。PWM波的占空比D由参考电流与检测电流之间的误差ierr决定，通常采用PI调节实现；
Dk?DK?1?Kp(ierrk?ierrk?1)?KITierrk （5.5）
式中
D——第k个采样时刻的PWM波占空比。
D——第k－1个采样时刻的PWM波占空比。 i——第k个采样时刻的电流误差。
i——第k－1个采样时刻的电流误差。
kk?1errker?1rk注意：电流环与转速环的传递函数是不同的，因此式（5.4）的比例系数KP、
积分系数KI以及采样周期T的值与式（5.5）中的值是不同的。
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5.3 PWM调制方式［9］[10]
脉宽调制调速系统中的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM(Pulse Width Modulation)变换器。
脉宽调制变换器就是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。直流斩波调速最早是以它的显著的节能效果应用于直流电动机车中，但是，由于它的某些缺点，未能在工业中推广。自从晶体管迅速发展之后，才使得脉宽调速更容易实现，而且性能更好。因此，将脉宽调速推广到一般工业中取代晶闸管整流调速有着广阔的前景。只是由于器件容量的限制，目前直流PWM调速还只限于中、小功率的系统。随着器件的发展，它的应用领域必然会日益扩大。例如晶闸管的生产水平已经达到4500V、2500A，组成PWM变换器，可以用来驱动上千kw的电动机。
s Id Ud Us Ud M 0 Us VD ton T (b) t (a)
图5.3 脉冲调制调速系统原理
图5.3a是脉宽调制调速系统原理示意图。虚线框内的开关S表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压Us为固定的直流电压，当开关S闭合时，直流电流经过S给电动机M供电;开关S打开时，直流电源供给M的电流被切断，M经二极管VD续流，电枢两端电压接近为零。如果开关S按照某固定频率开闭而改变每周期内的接通时间ton。时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速目的，脉冲波形见图5－3b，其平均电压为：
1tonton?? （5.6） ??UdT?0UsdtTUsUs式中 T——脉冲时钟 ton——接通时间
??ton?Ud——PWM电压的占空比（0≤ρ≤1）
TUS可见，在电源Us与PWM波的周期T固定的条件下，Ud可随ρ的改变而平滑调节，从而实现电动机的平滑调速。
PWM信号的产生：改变脉冲占空比可以实现电动机转速的调节，但首先需要
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将控制转速的指令信号转换为具有相应占空比的脉冲信号。PWM信号产生的基本方法是，将控制指令信号与固定的三角波或锯齿载波信号进行比较，从而产生占空比正比于控制指令电压的脉冲信号。
因此，PWM信号产生电路主要有恒波形发生器以及脉冲宽度调制电路组成。恒波形发生器的作用是产生恒定频率的振荡波形作为载波，提供时间比较的基准，该波形可以是三角波，也可以是锯齿波。脉冲宽度调制电路实际上就是电压／脉冲转换电路，一般由电压比较器（或具有正反馈的高增益运算放大器）构成。
在比较器两个输入端分别施加载波信号和控制指令信号，比较器输出将按下述规律变化：①当控制指令信号电压大于或等于三角波电压时，输出信号为比较器电源正电压Ucc；②当控制指令信号电压小于三角波电压时，输出信号为电源地信号0伏或比较器电源负电压－Ucc。
图5.4是一个典型的PWM信号产生电路结构示意图。函数发生器产生固定频率f的三角波或锯齿波，与控制指令信号Ui在比较器中比较后，即产生宽度变化正
［11］
比于控制指令信号的调制开关信号。
ui 指令信号 函数发生器 ＋ － 脉冲宽度 调制电路 PWM信号
图5.4 PWM信号产生电路结构示意图
对于两相导通星形六状态无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开关器件导通120°电角度，每隔60°有两个开关器件切换．因此，PWM调制方式可以有以下五种：
（1）on_pwm型：在120°导通区内，各开关管前60°恒通、后60°采用PWM调制，如图5.5所示。
（2）pwm_on型：在120°导通区内，各开关管前60°采用PWM调制、后60°采用恒通，如图5.6所示。
（3）H_pwm-L_on型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM
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调制、下桥臂开关恒通。
（4）H_on-L_pwm型：在各自的120°导通区间内，上桥臂功率开关恒通、下桥臂功率开关管通过PWM调制，如图5.7所示。
（5）H_on-L_pwm型：上下桥臂各管皆为PWM调制方式，如图5.8所示。
VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 -60 0 60 120 180 240 300 ωt ωt ωt ωt ωt 360 ωt
图5.5 半桥PWM调制（on_pwm型）
VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 -60 0 60 120 180 240 300 ωt ωt ωt ωt ωt 360 ωt
图5.6 半桥PWM调制（pwm_on型）