采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制Word文档下载推荐.docx

采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制Word文档下载推荐.docx

《采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用PWM调制技术实现对直流电机转速的控制Word文档下载推荐.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

（CollegeofInformationScienceandEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology）

Abstract:

Inthemotioncontrolsystem,thecontrolofelectromotor'

srotatespeedisofgreatimportance,therearealotofspeedcontrolarithmeticsandmethods,theanalogPIDcontrolisoneoftheearliestdevelopedcontrolpolicieswhichhasformedtypicalstructure,itsparametricsettingisconvenientandit'

seasytomeetnormalcontrol'

sdemand,butasthewholecontrolprocessisfixedoncetheparameterhasbeensetwhilepracticallythechangesofthoseconditionslikethesystemparametersandtemperatureoftheenvironmentprohibitthesystemfromreachingitsbestcontroleffect,sotheanalogPIDcontrollerbarelyhassatisfiedeffect.Withthedevelopmentofcomputertechnologyandintelligentcontroltheory,thedigitalPIDtechnologyisthrivingwhichcanachievetheanalogPID'

scontroltasksandconsistsofmanyadvantageslikeflexiblecontrolarithmeticsandhighreliability,itiswidelyusednow.

Keywords：

digitalPID；

PWMimpulse；

dutyfactor；

astaticmodulation

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。

本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。

其设计思路为：

以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。

同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到转速无静差调节的目的。

在系统中采128×

64LCD显示器作为显示部件，通过4×

4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。

因此该系统在硬件方面包括：

电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。

软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：

可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。

1PID算法及PWM控制技术简介

1.1PID算法

控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。

目前提出的控制算法有很多。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。

实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。

下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。

1.2数字PID

在DDC系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。

因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。

由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。

为将模拟PID控制规律按式（1.2）离散化，我们把图1.1中、、n次采样的数据分别用表示，于是式（1.1）变为：

=－（1.1）

当采样周期T很小时可以用T近似代替，可用近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似

（1.2）

（1.3）

这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程

（1.4）

上式中是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项,即

（1.5）

第二项起积分控制作用,称为积分（I）项即

（1.6）

第三项起微分控制作用,称为微分（D）项即

（1.7）

这三种作用可单独使用（微分作用一般不单独使用）或合并使用,常用的组合有:

P控制:

（1.8）

PI控制:

（1.9）PD控制:

（1.10）

PID控制:

（1.11）

式（1.7）的输出量为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。

因此,式（1.7）又称为位置型PID算式。

由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（1.7）进行改进。

根据式（1.7）不难看出u（n-1）的表达式，即

（1.12）

将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字PID增量型控制算式为

（1.13）

从上式可得数字PID位置型控制算式为

（1.14）

式中：

称为比例增益；

称为积分系数；

称为微分系数[1]。

数字PID位置型示意图和数字PID增量型示意图分别如图1和2所示：

图1数字PID位置型控制示意图

图2数字PID增量型控制示意图

1.3数字PID参数整定方法

如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。

一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。

显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。

PID调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。

用理论计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。

因此，实际用得较多的还是工程整定法。

这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。

当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。

1.4直流电机的PWM控制技术

根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：

，若令，即为占空比，则上式可化为：

（U为脉冲幅值）（1.15）

图3PWM脉冲

若PWM脉冲为如图4所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即

（为矩形脉冲占空比）（1.16）

图4周期性PWM矩形脉冲

由式1.20可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。

2设计方案与论证

2.1系统设计方案

根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图5所示。

图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。

在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。

图5系统方案框图

3单元电路设计

3.1硬件资源分配

本系统电路连接及硬件资源分配见图6所示。

采用AT89S51单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过AT89S51的P3.3口将电脉冲信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，利用128×

64LCD显示器和4×

4键盘作为人机接口。

图6系统电路连接及硬件资源分配图

3.2电机速度采集电路设计

在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。

本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图7（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图7（b）所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。

这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。

例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图8所示的脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。

（a）（b）

图7电机速度采集方案

图8传感器输出脉冲波形

4软件设计

4.1PID算法

本系统设计的核心算法为PID算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差，对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节[10]，进而控制电机转速。

其运算公式为：

因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法，

其程序流程如图9所示。

4.2程序流程主流程图

在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图10所示

图10主程序流程

为了确定系统与设计要求的符合程度，需要进行系统测试与分析，但是由于试验调节的制约和时间的限制，不能完成此次制作，只能通过软件仿真进行验证，在这里使用的是英国的Proteus软件进行测试，对于电机速度采集可根据设定的电机速度计算出P3.3口输入的方波脉冲的频率和占空比，来改变等效直流电压的大小，给P3.3