直流電動(dòng)機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋曉偉 樊戰(zhàn)亭 田銳

摘 要：對于直流電機(jī)模擬調(diào)速的局限性，這里設(shè)計(jì)一種使用PID算法的直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速裝置。該系統(tǒng)主要由液晶顯示模塊、電源模塊、功能選擇模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)測速模塊五大部分組成。以STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過定時(shí)器產(chǎn)生PWM控制MX1508驅(qū)動(dòng)電路來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)軸上接有碼盤，測速模塊來獲得電機(jī)的實(shí)際速度。按鍵輸入電機(jī)設(shè)定速度與當(dāng)前速度進(jìn)行PID算法計(jì)算來保持電機(jī)速度穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：PID算法；STC89C52單片機(jī)；PWM；MX1508

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）13-0053-02

Abstract： For the limitation of DC motor analog speed regulation， a DC motor digital speed regulation device using PID algorithm is designed. The system is mainly composed of liquid crystal display module， power module， function selection module， motor driving module， and motor speed measurement module. With STC89C52 single chip microcomputer as the control core， PWM is generated by timer to control the speed of the motor by the MX1508 drive circuit. The motor shaft is connected with a code plate and the speed measurement module is used to obtain the actual speed of the motor. The key input motor setting speed and current speed are calculated by PID algorithm to keep the motor speed stable.

Keyword： PID algorithm； STC89C52 single-chip microcomputer； PWM； MX1508

引言

數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有控制精確度高，非常穩(wěn)定，受環(huán)境影響小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外的使用越來越廣泛。近年來，直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化?；跀?shù)字PID控制的直流電機(jī)控制調(diào)速已成為直流電機(jī)新的調(diào)速方式。這種調(diào)速方法具有運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能好、效率高、對轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是這種控速方式很容易在單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因此具有很好的發(fā)展前景。

本項(xiàng)目采用單片機(jī)控制下PID小功率調(diào)速，能夠?yàn)榻窈笱芯看蠊β手绷鲾?shù)字調(diào)速奠定良好的基礎(chǔ)。

1 直流電動(dòng)機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由軟件設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩大部分組成。軟件設(shè)計(jì)主要包括PID算法設(shè)計(jì)、lcd顯示程序設(shè)計(jì)、功能按鍵函數(shù)設(shè)計(jì)。硬件電路由驅(qū)動(dòng)模塊、測速模塊、顯示模塊、電源模塊、功能選擇模塊等構(gòu)成。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID算法設(shè)計(jì)

按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，采用單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)，其軟件系統(tǒng)靈活易修改完善的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮，所以，PID數(shù)字控制器得到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖1為直流電動(dòng)機(jī)PID控制，給定速度n0（t）與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較n（t），其差值e（t）=n0（t）-n（t），經(jīng)過PID控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號(hào)u（t），u（t）經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)改變其轉(zhuǎn)速。

2.1.1 比例控制

比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。

2.1.2 積分控制

積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。

2.1.3 微分控制

微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。

微分控制的作用是阻止偏差的變化，它是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制，偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差變大之前進(jìn)行修正，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

2.2 位置式PID和增量式PID

2.2.1 位置式PID算法

指在積分環(huán)節(jié)對從0時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的所有偏差進(jìn)行積分，是非遞推式的全局變量。由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對第K次采樣時(shí)刻輸入的偏差值進(jìn)行累加，工作量大。

2.2.2 增量式PID算法

通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進(jìn)行PID控制的一種控制算法。

由于位置式PID算法容易產(chǎn)生積累誤差，而且對計(jì)算量要求高，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)中采用增量式PID算法，增量式PID表達(dá)式為：

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了MX1508四通道雙路有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)ic，該ic內(nèi)部集成雙通道N溝道和p溝道低導(dǎo)通低內(nèi)阻的功率mos設(shè)計(jì)的H橋驅(qū)動(dòng)電路，通過對角線導(dǎo)通mos管來控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。

3.2 電機(jī)測速電路

本設(shè)計(jì)中電機(jī)測速裝置采用光電式測速傳感器，電機(jī)的一端裝有碼盤，發(fā)射管一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)碼盤上的柵格對準(zhǔn)接收管時(shí)而導(dǎo)通，此時(shí)輸出低電平，當(dāng)柵格沒有對準(zhǔn)接收管時(shí)而截止，此時(shí)輸出為高電平。由于碼盤上面的柵格為30格，故電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈光敏晶體管輸出30個(gè)脈沖。

3.3 功能選擇模塊

功能選擇模塊其實(shí)就是獨(dú)立鍵盤，雖然占用接口多，但程序簡單。本設(shè)計(jì)中按鍵由上到下依次是設(shè)定加、設(shè)定減、電機(jī)轉(zhuǎn)向、PID值設(shè)定、啟動(dòng)停止功能鍵。

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用了LCD1602液晶屏來顯示，該顯示模塊由數(shù)據(jù)端口和控制端口兩大部分組成。單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)端口，控制端口決定發(fā)送來的數(shù)據(jù)顯示的位置和順序。字符的顯示由這兩部分共同控制來實(shí)時(shí)顯示。

3.5 電源模塊

電源模塊主要由開關(guān)電源模塊、鋰電池充電模塊、鋰電池升壓模塊、18650鋰電池等組成。開關(guān)電源模塊將220v的交流電穩(wěn)壓到5v直流電壓；鋰電池充電模塊將5v電壓改變?yōu)?.2v電壓來對鋰電池充電；鋰電池升壓模塊將3.7v電壓升到5v電壓。最終的5v電源將為單片機(jī)，lcd1602、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、測速模塊等供電。

采用此種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，采用獨(dú)立電池和開關(guān)電源二級電源供電，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。經(jīng)過原理圖設(shè)計(jì)、洞洞板焊接、硬件測試、軟件編寫、PID參數(shù)整定、通過反復(fù)測試，具有穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足預(yù)期要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊耕，羅應(yīng)立.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]郭榮祥，崔桂梅.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]田苗，史玉琴.基于PID技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015.

[5]李玉峰.MCS-51系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6]胡鍵.單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[7]劉峰.基于先進(jìn)PID控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（15）：34.