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

目录

摘要..................................................................................................................................................I

Abstract...........................................................................................................................................II

第一章前言1

1.1课题研究背景1

1.2国内外研究现状及发展趋势1

1.3课题主要研究内容2

第二章系统硬件电路的设计2

2.1系统设计方案2

2.2单片机最小系统2

2.3电机驱动模块3

2.4速度检测模块3

2.5显示模块4

第三章PID算法及PWM控制技术5

3.1数字PID5

3.2直流电机的PWM控制技术6

3.2.1PWM基本原理6

3.2.2PWM脉宽调制介绍6

3.2.3PWM的实现与工作方式7

第四章软件设计8

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

参考文献12

附录1：

原理图13

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国内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。

在国内，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，国内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浙江大学电机研究所就是国内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，表明了国内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本课题主要研究内容

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，该元件是由其内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，但其速度的调节范围比较小，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