基于PID控制的直流电机调速系统讲解.docx
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基于PID控制的直流电机调速系统讲解
基于PID控制的直流电机调速系统
基于PID控制的直流电机调速系统
1.1本课程的选题背景
PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。
它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。
特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。
在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。
由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。
随着计算机仿真技术的出现和
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发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。
计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。
整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。
实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。
Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。
它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进行仿真。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。
文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。
利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。
1.2直流电机简介
1.2.1直流电机的发展历史
电机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台电机。
电机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。
电机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了2.2公里，但这不影响电机实验的成功。
电机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有商业价值。
电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的效率进行提高。
电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。
1.2.2直流电机的特点
直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流
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接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。
在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电机。
此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电机作为原动机来拖动工作机械的。
直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。
在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。
虽然直流发电机和直流电机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。
直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。
因此，电机制造业中正在努力改善交流电机的调速性能，并且大量代替直流电机。
不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。
包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。
一条是：
导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：
载流导体在磁场中受到电磁力的作用。
因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。
从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。
我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。
1.2.3直流电机的分类
一般的电机多采用电流励磁。
励磁的方式分为他励和自励两大类。
他励直流电机由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。
例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。
前者为直流励磁，后者为交流励磁。
同步电机按电网的情况,可以是
转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。
如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。
采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。
采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。
他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。
随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。
励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持
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不变的情况下，利用可控整流调节。
后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。
前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。
当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。
自励直流电机
利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。
电机采用自励时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。
但如果原先电机内部没有磁场,它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。
所以实现自励的条件是电机内部必须有剩磁。
自励系统又可分为并励和复励两种。
并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。
并励发电机进行自励的条件和起励过程如图1和图2所示。
图1是并励直流发电机的原理接线图。
图2为其起励过程。
其中曲线1为发电机的磁化曲线Φ＝f（If）。
由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E0=f（If），即电机的感应电动势与励磁电流If之间的关系。
而曲线2为励磁回路的电阻特性U＝If·∑它R表,示励磁电流与电机电压之间的关系。
它实际是一条斜率为ΣR的直线。
其中∑R为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。
1.2.4直流电机的结构及基本工作原理
直流电机的结构
分为两部分：
定子与转子。
定子包括：
主磁极，机座，换向极，电刷装置等。
转子包括：
电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。
（1）定子
定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。
主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。
极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。
主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。
机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。
电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。
它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。
直流电机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的
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磁场方向和励磁电流的关系由由有螺旋法则确定。
在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。
（2）转子转子是电机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。
电枢是电机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。
电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。
通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。
换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。
它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。
换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。
在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。
直流电机的基本工作原理导体受力的方向用左手定则确定。
这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。
如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起
的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。
这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
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因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电机能连续地旋转。
这就是直流电机的工作原理。
直流电机的机械特性
直流电机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。
下面一常用的他励和并励电机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。
图1-2直流电机的接线图
图1-2是他励和并励直流电机的接线原理图。
他励电机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电机中两者是并联的，由同一电压U供电。
并励电机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：
UE
U=E+RaIa即：
Ia=Ra（Ra为电枢电压）
I=Ia+If≈Ia
当电源电压U和励磁电路的电阻Rf保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。
则电机的转距也就和电枢电流成正比，T=KTΦIa=KIa这是并励电机的特点。
当电机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电机的转速、电流及电磁转距等发生变化。
，称为：
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械特性曲线
EUIaRaURa
nKEkEKEKEKT2Tn0n
式中并励电机的起动与反转：
并励电机在稳定运行时，其电枢电流位：
IaUE
IaRa
因电枢电阻Ra很小，所以电机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等。
Iast
U
Ra
由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。
同时并励电机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转
距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。
限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。
这时起动电枢中的起动电流的初始值为：
U
Iast
RaRst
则起动电阻为：
RstURa
Ra
般：
Iast=（1.5～2.5）IN
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起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电机转速的上升，再把它逐段切除。
注意：
直流电机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。
普则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：
要改变电机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向，可通过改变磁通Φ（励磁电流）或电枢电流Ia的方向实现。
1.并励电机的调速电机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。
由转速公式：
nUIaRa可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。
KE
2.改变磁通Φ（调磁调速）当保持电源电压U为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电UR
流If而改变磁通Φ。
由式na2T可见，当磁通Φ减小时，n0升高KEKEKT2
了，转速降Δn也增大了；但Δn与Φ2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。
见图1-4
图1-4
改变时的机械特性曲线
由于电机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速（Φ<ΦN），转速上调（n>nN）。
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1.3系统开发软硬件概述
1.3.1单片机最小系统
单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
图1
详细说明如下：
复位电路:
（图1）
由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C取10u，R取10K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。
（2）晶振电路：
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中，取12M。
（3）单片机：
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。
对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个（Vcc和GND），晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。
29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：
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P0端口P0.0-P0.7共8个；
P1端口P1.0-P1.7共8个；
P2端口P2.0-P2.7共8个；
P3端口P3.0-P3.7共8个；
1.3.2Proteus仿真软件简介
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
③提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，ProteusARES主要用于PCB设计。
ISIS的主界面主要包括：
1是电路图概览区、2是元器件列表区、3是绘图区。
绘制电路图的过程如下：
单击2区的P命令即弹出元器件选择（PickDevices）对话框，Proteus提供了丰富的元器件资源，包括30余种元器件库，有些元器件库还具有子库。
利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK按钮，返回主界面。
接着在2区中选中某一个元器件名称，直接在3区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3区。
由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。
单击左键是完成在2区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（EditComponent）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。
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元器件之间的连线方法为：
将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“×”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“×”，此时单击鼠标左键便可完成连线。
连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。
绘制好电路后，可利用1区的绿色边框对3区的电路进行定位。
Keil编译及调试软件简介
目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。
Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：
μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。
应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：
编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。
Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。
工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。
首先选择菜单File—New⋯，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open⋯，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—NewProject⋯，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。
这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择SourceGroup1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“AddFiletoGroupSou‘rceGroup1”'，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。
加入文件后点close返回主界面，展开“SourceGroup1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。
紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—OptionforTarget'Target1（'或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“CreatHexFi”；其他选项卡内容一般可取默认值。
工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。
成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/StopDebugSession（或按
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Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。
Keil能以单步
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