基于PID控制的直流电机调速系统.docx
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基于PID控制的直流电机调速系统
摘要..................................................................................................................................................I
Abstract...........................................................................................................................................II
2.3电机驱动模块3
2.5显示模块4
4.1主程序设计8
4.2PID算法9
4.2按键设置10
第五章结语11
附录2：
PCB图14
附录3：
实物图15
基于PID控制的直流电机调速系统
摘要：
在现代工业控制以及生活中，直流电动机俨然变成了不可减少的一部分了。
小到各种小型玩具，大到各种仪器。
应用广泛，必然需要精密的控制。
而本课题主要研究基于PID的直流电机调速。
系统以AT89S52单片机为核心控制芯片，采用PID控制，输出PWM脉冲信号，采用改变占空比的方法来实现对电机速度的调节。
本设计的硬件系统包含：
单片机最小系统、电机驱动模块、速度检测模块、显示模块等。
编程采用的是C语言，并用AltiumDesigner10软件进行了原理图与PCB图的绘制。
关键词：
AT89S52单片机；PID算法；PWM脉冲；占空比。
TheDCmotorspeedcontrolsystembasedonPIDcontrol
Abstract:
Inmodernindustrialcontrol,andlife,asifintoaDCmotorirreduciblepartof.Smallvarietyofsmalltoys,largevarietyofinstruments.Widelyused,necessarilyrequiresprecisecontrol.AndthisissueismainlybasedonPIDDCmotorspeedcontrol.SystemAT89S52microcontrollerasthecorecontrolchip,theuseofPIDcontroloutputPWMpulsesignal,bychangingthedutycycleofthemethodstoachievethemotorspeedregulation.Thedesignofthehardwaresystemcomprising:
smallestsingle-chipsystems,motordrivemodule,speeddetectionmodule,adisplaymodule.UsingtheCprogramminglanguage,andwithAltiumDesigner10softwarefordrawingschematicandPCBmap.
Keywords:
AT89S51SCMPIDalgorithmPWMimpulsedutyratios
第一章前言
1.1课题研究背景
对于直流电机系统来说，KZ-D拖动系统即采用可控硅装置向电机供电是比较主流的技术。
早期的控制系统采用的是发电机—电动机系统，其相当的笨重。
PWM脉宽调制技术，是目前已经应用的很成熟的技术。
随着电力电子技术的发展和单片机技术的成熟运用，使得模拟化的直流电机过度到了数字化。
通过电力电子技术中的桥式电路与微处理器进行连接使用，由微处理器产生受占空比改变后的PWM脉冲波形。
通过改变后的脉冲波形来控制加在电机两端的电压，从而来对电机的速度进行控制。
1.2国外研究现状及发展趋势
随着新型磁材料地发现以及冷却控制技术不断提升，促进了直流电机的产品变得多种多样。
一些直流电机在控制系统中添加了标准接口，其可确保兼容程序控制器与新型数字变换器。
在国，因为对电机的应用比较少，所以直到很晚才对其开始研究。
受国外直流电机应用潮流的影响，国也出现了很多直流电机研发单位。
对直流电机的研究取得很多成果的大学电机研究所就是国首个对直流电机开始研究的研究所了。
2002年年底，随着磁悬浮列车试运行的成功，表明了国的直流电机的飞速发展。
然而和国外的那些尖端技术相比，我们还存在着很多的不足。
积极的发展些新颖的技术、新型的材料以及些不同的结构，努力解决晶闸管整流时对电机产生的一系列问题，比如切换振动以及噪声等各方面的问题。
在这些问题的基础上，我们必须要坚持发展直流电机原有的良好特点。
在优势不变的情况下使其能够满足各种机械所需要的不同要求，使系统更加的完善。
在新型的电机系统上搭建上晶闸管整流电源系统，设计出全新的能够适应晶闸管整流电源来供电的新型电动机系列。
1.3本课题主要研究容
本课题主要研究的是基于PID控制算法的直流电机调速。
核心问题就是如何通过PID算法来控制占空比从而生成特定的PWM脉冲波形，控制电机两端的电压，从而控制电机的转速。
在系统中，需要将电机的速度传回到单片机中，形成一个转速闭环的控制系统。
这里采用的是霍尔元件来完成这一任务。
人机交互采用的是数码管和按键，按键作为参数的设定以及正反转的控制，启动后通过数码管来显示电机的当前转速。
本课题的硬件系统主要包含控制模块、电机驱动模块、速度检测模块、按键模块和显示模块等。
系统的软件部分采用C语言进行编写，其具有可移植性强、算法易于实现、能够很方便的进行调试和对程序进行修改。
第二章系统硬件电路的设计
2.1系统设计方案
根据题目的给的任务和要求，设计了如图2.1所示的系统框图。
图中的控制模块是该系统的重要核心部件，通过按键模块以及显示模块作为系统的人机交互，通过按键将设定的速度以及电机的运行状态输入到单片机中，然后从数码管上得到相应的值。
控制模块将相应的PWM脉冲发送到电机驱动模块中，驱动着直流电机的运转。
在直流电机运转的同时，速度检测模块将检测到的速度传回到控制器模块中。
传回的值与设定的值形成偏差，然后利用PID算法进行偏差运算，改变占空比来实现对PWM脉冲的调制，从而实现对电机运行速度的控制。
图2.1系统框图
2.2单片机最小系统
本设计的最小系统是由AT89S52单片机与晶振电路以及复位电路所构成的。
其复位电路应用的是按键复位来实现对系统的复位。
此类单片机拥有很强的算术以及运算功能，他的自由度很高、编程灵活。
这些特点使其能够很好的完成各种不同需要的算法以及逻辑的控制。
凭借着小体积、低耗能、以及技术成熟等优点，使得单片机在各个不同领域都有着广泛的使用。
图2.2最小系统
2.3电机驱动模块
电机驱动模块采用的是H桥式驱动电路。
之所以被叫做H桥，是因为他的设计形状很想字母H。
该电路是由4个三极管和一个电机组成。
由驱动电路可知，当电路通电的时候只有对角线上的三极管会被导通。
因此不同对角线的导通意味着流过的电流方向就不同了。
所以控制电流流经电机的方向就可以控制电机的转动方向了。
图2.3电机驱动
2.4速度检测模块
本系统的速度检测模块，采用的是霍尔元件，该元件是由其部的三片霍尔金属板所组成。
只有在金属板产生横向导通时，即磁铁与金属板正对着的时候形成霍尔效应，才能产生频率信号。
因此，可以在电机上安装磁铁，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对金属板导通是频率信号的计数来进行电机速度的检测。
图2.4速度采集
2.5显示模块
在对系统设置以及在电机运转时，需要对设置的参数以及电机的速度进行显示。
因此选用驱动简单、性能稳定且在低电压的情况下就有高亮度，功耗小的数码管。
只需简单的硬件电路就能实现数码管的功能，且其编程简单，能够满足系统所需的显示速度的要求。
图2.5数码管显示
第三章PID算法及PWM控制技术
3.1数字PID
在DDC系统中，控制规律的实现由计算机软件来完成。
所以，数字控制的设计实际是计算机算法的设计。
PID调节器的离散化差分方程为：
（1.1）
由上式可知，当偏差为零时
为初值。
称作比例（P）项，起比例作用。
称作积分（I）项，起积分作用。
称作微分（D）项，起微分作用。
这三种作用可以单独使用也可以合并使用，常用的组合有：
P控制：
（1.2）
PI控制：
。
（1.3）
PD控制：
（1.4）
PID控制：
式（1.1）的输出量u（n）为全输出量，对应着每次采样时刻应该要达到的位置。
因此式（1.1）又称为位置型PID算式。
由（1.1）可以看出，位置型算式不简便，是因为他要累积偏差
，不仅需要占用很多的存储单元，而且不易于编写程序，因此对其进行改进。
根据式（1.1）可以看出u（n-1）的表达式，即
（1.5）
将式（1.1）和（1.5）相减，便可以得到数字PID增量型控制算法为：
（1.6）
从上式可以得到数字PID位置型控制算法为：
（1.7）
式中：
为比例增益
为积分增益
为微分增益
3.2直流电机的PWM技术
调节电枢的供压，减弱励磁的磁通以及电枢回路中电阻的改变，是目前直流电机最主要的三种调节转速的方式。
这三种调速方式都有其各自的特点也有其各自的缺点。
电枢回路中电阻的改变只能让电机完成有级调速。
减弱励磁的磁通时，虽然电机能够平滑的调节速度，但其速度的调节围比较小，且其需要和变压调速一起使用。
所以在直流电机调速中，一般使用的都是变压调速。
直流PWM的调速系统就是变压调速中的一种。
因为他具有比较高的开关频率，所以单靠电枢电感来过滤波形就可以得到很稳定的电流。
他低速时的特性和稳态时的精度都比较好。
此外，因为开关频率比较高，使得对系统能够快速的响应。
在动态环境下具有很强的抗干扰能力。
伴随着电力电子的不断发展，直流电机的PWM技术也得到了飞快的发展。
随着现代科学迅速的发展，大规模、高精密的集成电路取代了模拟电路与数字电路。
集成电路的发展让数字调制技术逐渐的发展起来。
目前，脉宽调制技术在大部分的电机调速系统中被使用。
用微处理器将信号转化为数字化来对电机进行调速将是电机发展的一个主要方向。
采用微处理器与集成电路的结合，使得系统中的模拟信号都转变成数字信号。
数字信号的精确使电机在运转的时候精度能够达到一个比较高的水平。
电机运转时他的动态性能和静态性能也能很好的满足工业中的各种要求。
3.2.1PWM基本原理
PWM脉宽调制是一种将微处理器所输出的数字信号作为控制模拟电路的一种有效技术。
通过这种用数字化控制模拟电路的方式，可以在很大程度上减小系统的成本和系统的功耗，另外，在许多的微处理器芯片上都设置了PWM的控制器，这样的设计让系统的控制能够更好的被实现。
简单的来说，PWM就是将模拟信号的电平进行转换成数字化信号的方法，通过改变波形的占空比来对模拟信号进行数字化处理。
因为PWM信号的数字性，使得输出的电流信号时刻都是满幅值的要么就有电流，要么就没有，不会出现得到的电流不相同的情况。
3.2.2PWM脉宽调制介绍
PWM脉宽调制技术是一种对脉冲的宽度进行调制，得到所需波形的技术。
主要的就是改变占空比的值了。
他的计算公式为：
在保持电源的电压恒定时，电枢电压的平均值就可以由公式得出：
。
为平均值，
为最大值。
从上式可以看出，改变占空比就可以使电枢的电压发生改变。
电机的控制就是由电枢电压控制的。
脉冲信号
t
T
图3.1PWM脉冲信号图
----------------------------------------最大值
----------------------------------------平均值
-----------------------------------------最小值
图3.2PWM波形图
从公式来看，有三种方法来改变占空比：
（1）
不变，改变
，使周期
改变。
（2）
不变，改变
，使周期
改变。
（3）保持
不变，使
、
同时改变。
目前用的比较多的就是第三种方法了，前面的两种在实际中用的比较少。
3.2.3PWM的实现与工作方式
PWM在实现上有软件延时和定时技术两种方式。
软件延时是通过改变输出端口的高低电平的时间值可以改变占空比进而调速。
从理论上来讲，软件上的延时能比较容易的实现，但他所需要用到的系统上的资源比较多，使得在用的时候不是很方便。
然而用定时计数的时候就比较的简单了，只要单片机定时的产生PWM脉冲，实现脉冲的输出就可以了，况且他占用的资源很少。
PWM在工作的时候采用的是单极性的工作方式。
单片机的一个端口输出低电平，另一个端口输出PWM脉冲信号。
只要对PWM脉冲的占空比进行调制以及对两个端口进行切换都可以控制着电机的运转。
第四章软件设计
4.1主程序设计
该系统采用的是AT89S52单片机作为控制核心来对整个系统进行控制。
给系统上电后，对系统进行初始化设置，然后判断设置键是否按下，如果判断到按下的话，就进入按键子程序进行设置，设置的参数在数码管上显示出来。
通过对按键的设置后，启动，电机就会根据设置的开始运转。
通过测速模块将电机的速度传到单片机，同时数码管对当前的速度进行显示。
而反馈回单片机中的值将与设定值进行比较，得到偏差，然后用PID算法对偏差进行处理，不断的修改直到电机的运转速度达到所设定的值。
图4.1主程序流程图
4.2PID算法
本设计的核心就是PID算法了，他根据速度检测装置反馈采样的数据与设定值进行比较，得到偏差
通过P、I、D运算将得到的偏差进行处理，对PWM脉冲的占空比进行调制，从而实现对加在电机两端电压的调节，进而来控制电机的转速。
其运算公式为：
PID算法处理流程图如图4.2所示。
图4.2PID算法流程图
4.3按键设置程序
系统上电后，首先对期望的转速进行设置。
按下设置键后只需调节按键加或按键减键，调到所期望的值，然后再次按下设置键。
根据需要按下正转或反转电机即开始运转。
在电机运转时可以随时更改方向，只需按下正转或反转按键即可。
在电机运转是如需停止的话，按下停止键电机即可停止运转，停止后如需再次运转的话，只需按正转或反转按键即可。
图4.3按键设置流程图
第五章结论
本课题的主要目的是基于PID的控制来改变PWM脉冲的占空比从而产生调制了的PWM脉冲来对电机进行控制。
通过对控制模块、电机驱动模块、以及数字PID算法等进行深入研究，以及对硬件和软件的设计。
并且利用AltiumDesigner10软件绘制出PCB图纸。
软件方面利用C语言进行编写，增强了程序的灵活性和可移植性。
总结下来，本课题主要做了这样几个方面：
1、对各模块进行设计并画出原理图：
2、数字PID的运用以及与PWM脉冲的结合；3、利用C语言对程序的编写；4、PCB电路板的制作。
经过此次对本课题的研究设计，对数字PID算法的使用和其编程方法有了一定的了解，学会了如何进行系统设计及相关的技巧，为今后的学习和工作打下了一定的基础。
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附录1：
原理图
附录2：
PCB图
附录3：
实物图
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