基于串口通信的直流電機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾偉欽，徐東升，冉志勇

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽以最短時(shí)間跑完賽道為目標(biāo)，盡可能地使車模達(dá)到“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的要求，這不僅要求車模有靈敏、準(zhǔn)確的傳感器系統(tǒng) ，同時(shí)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也顯得至關(guān)重要。基于串口通信的直流電機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)采用PID控制器閉環(huán)反饋控制，通過改變PWM信號達(dá)到調(diào)速控制目的，同時(shí)采用串口與上位機(jī)進(jìn)行通信使得PID參數(shù)調(diào)整方便。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高。經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠使智能車行駛速度和穩(wěn)定性得到顯著提高。

1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由MCU模塊、電源模塊、車速檢測模塊、上位機(jī)、OLED顯示模塊、按鍵輸入模塊、PWM信號輸出等模塊組成。

圖1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)圖Fig.1 Whole system hardware design

1.1 MCU微控制器模塊

微控制器選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司Kinetis產(chǎn)品中的K60系列，具有器件充電檢測、硬件加密和篡改加密和篡改檢測功能。器件帶有豐富的模擬、通信、定時(shí)和控制外圍設(shè)備，涵蓋包括從256 kB閃存100引腳LQFP封裝到1 MB閃存256引腳MAPBGA封裝都有，高閃存密度K60系列器件包括可選單精度浮點(diǎn)單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。

1.2 電源模塊

電源穩(wěn)定工作是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采用7.2 V Ni—cd蓄電池經(jīng)過穩(wěn)壓之后分別給各個(gè)模塊供電。其中3.3 V供MCU、串口、OLED顯示屏工作，5 V供光電編碼器工作。電源系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)Fig.2 Power supply system

1.3 車速檢測模塊

在智能汽車設(shè)計(jì)中，測速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。本系統(tǒng)采用光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。通過光電編碼器采集脈沖，將采集到的脈沖數(shù)送進(jìn)PID控制器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。

1.4 OLED顯示屏

有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）由于同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。通過顯示按鍵輸入的數(shù)值，使得調(diào)試更加方便。

1.5 PWM調(diào)速模塊

隨著科技的發(fā)展，PWM調(diào)速成為電機(jī)調(diào)速的新方式，并憑借它的開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等有點(diǎn)，在電機(jī)調(diào)速中被普遍運(yùn)用。本系統(tǒng)通過MCU的PWM模塊產(chǎn)生10 kHz的PWM信號，采用PID閉環(huán)反饋控制計(jì)算出PWM的占空比，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 PID控制器

工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象﹐或不能有效測量手段來獲系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。

2.1 比例（P）控制

比例控制是一種最簡單控制方式。其控制器輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state?error）。

2.2 積分（I）控制

積分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則這個(gè)控制系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間積分，時(shí)間增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會時(shí)間增加而加大，它推動控制器輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

2.3 微分（D）控制

微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號微分（即誤差變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)克服誤差調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩失穩(wěn)。其原因是存有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差作用，其變化總是落后于誤差變化。解決辦法是使抑制誤差作用變化“超前”，即誤差接近零時(shí)，抑制誤差作用就應(yīng)該是零。這就是說，控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠，比例項(xiàng)作用僅是放大誤差幅值，而目前需要增加是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化趨勢，這樣，具有比例+微分控制器，就能夠提前使抑制誤差控制作用等于零，為負(fù)值，避免了被控量嚴(yán)重超調(diào)。對有較大慣性或滯后被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中動態(tài)特性。

2.4 模擬型和數(shù)字型PID控制器

模擬PID控制器的原理如圖3所示，其中r（t）為系統(tǒng)給定值，c（t）為實(shí)際輸出，u（t）為控制量。 如圖 3 所示，模擬 PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖3 PID控制器的原理Fig.3 Principle of PID controller

其中：e（t）為系統(tǒng)偏差量，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為積分時(shí)間常數(shù)，式1也可以整理變形為：

其中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù) Ki=Kp/Ti，Kd為微分系數(shù) Kd=KpTd。

計(jì)算機(jī)控制是一種離散的采樣控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所使用的是數(shù)字PID控制器，而式（1）和式（2）均為模擬PID控制器的控制表達(dá)式。通過將模擬PID表達(dá)式中的積分、微分運(yùn)算數(shù)值計(jì)算方法來逼近，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，只要采樣周期T取值足夠小，這樣逼近就可以相當(dāng)精確。將積分項(xiàng)用矩形和代替，微分項(xiàng)用差分代替，使模擬PID離散化為差分方程，可作如下近似：

其中：T為采樣周期，K為采樣序號，使用這種近似方法，就可以得到數(shù)字PID位子型控制算法和數(shù)字PID增量型控制算法。

2.5 PID控制器參數(shù)整定

PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心內(nèi)容。它是被控過程特性確定PID控制器比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間大小。PID控制器參數(shù)整定方法很多，概括起來有兩大類：1）理論計(jì)算整定法。它主依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所到計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。2）工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是試驗(yàn)，然后工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數(shù)，都需要實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善，現(xiàn)一般采用是臨界比例法。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動后，單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括端口初始化、OLED顯示屏初始化、PWM初始化、定時(shí)器/中斷初始化等。單片機(jī)檢測按鍵狀態(tài)，調(diào)用按鍵子函數(shù)，讀取鍵值，將鍵值顯示在OLED顯示屏上。另一方面，鍵值傳送到PID控制器作為其參數(shù)，通過車速檢測模塊采集脈沖作為反饋量，軟件給定值作為輸入量。PID控制器經(jīng)過整定計(jì)算之后，將改變PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

調(diào)試中系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制單片機(jī)，PC機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)。通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將直流電機(jī)速度傳送到上位機(jī)，并用圖形顯示，直觀的顯示直流電機(jī)速度變化響應(yīng)曲線，便于調(diào)試與分析。通過分析上位機(jī)顯示的直流電機(jī)速度變化響應(yīng)曲線圖，如圖5所示，圖中上升部分為通過上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送一定的數(shù)值，直流電機(jī)速度達(dá)到這一數(shù)值的動態(tài)響應(yīng)情況，穩(wěn)定部分為直流電機(jī)速度恒定保持這一數(shù)值，下降部分為通過上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送數(shù)值0，直流電機(jī)停車過程所發(fā)生的動態(tài)響應(yīng)情況。從整個(gè)響應(yīng)曲線圖可以得出，該系統(tǒng)控制直流電機(jī)調(diào)速響應(yīng)時(shí)間短、控制準(zhǔn)確，能達(dá)到系統(tǒng)要求。

圖5 上位機(jī)測試界面圖Fig.5 PC testing interface diagram

5 結(jié) 論

通過運(yùn)用PWM技術(shù)和PID控制器對直流電機(jī)進(jìn)行速速控制，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，調(diào)速精確，響應(yīng)時(shí)間更短。用OLED顯示屏和串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，顯示系統(tǒng)的一些參數(shù)，使得調(diào)試更為方便、人性化。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)可以被推廣使用，能滿足一般直流電機(jī)的速度控制要求。

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