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51单片机直流电机PWM调速.pdf
前言
1PID算法及PWM控制技术简介
1.1PID算法
1.2PWM脉冲控制技术
2设计方案与论证
2.1系统设计方案
2.2控制器模块设计方案
2.3电机驱动模块设计方案
2.4速度采集模块设计方案
2.5显示模块设计方案
2.6键盘模块设计方案
2.7电源模块设计方案
3单元电路设计
3.1硬件资源分配
3.2电源电路设计
3.3电机驱动电路设计
3.4电机速度采集电路设计
3.5显示电路设计
3.6键盘电路设计
4软件设计
4.1算法实现
4.2程序流程
4.3系统Proteus仿真
5系统测试与分析
结论
参考文献
附录Ⅰ部分源程序
附录Ⅱ系统原理图
附录ⅢPCB图
附录Ⅳ元件清单
致谢
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
摘要
在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很
多，模拟 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，
并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟 PID 控制系统中，参
数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统
参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟 PID
控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字 PID
技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟 PID 所完成的控制任务，而且具备控制算
法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。
本设计以上面提到的数字 PID 为基本控制算法，以 AT89S51 单片机为控制核
心，产生占空比受数字 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。同
时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，
达到转速无静差调节的目的。在系统中采 128×64LCD 显示器作为显示部件，通过
4×4 键盘设置 P、I、D、V 四个参数和正反转控制，启动后可以通过显示部件了解
电机当前的转速和运行时间。该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。
关键词：数字 PID；PWM 脉冲；占空比；无静差调节
1
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
Abstract
In the motion control system,the control of electromotor's rotate speed is
of great
importance,there are a lot of speed control arithmetics and
methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control
policies which has formed typical structure ,its parametric setting is
convenient and it's easy to meet normal control's demand,but as the whole
control process is fixed once the parameter has been set while practically the
changes of those conditions like the system parameters and temperature of the
environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the
analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of
computer
theory ,the digital PID
technology is thriving which can achieve the analog PID's control tasks and
consists of many advantages like flexible control arithmetics and high
reliability,it is widely used now.
technology and intelligent control
This design is based on the digital PID mentioned above as basic control
arithmetic and AT89S51 SCM as control core,the system produces PWM
impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure
the running of direct current machine's rotate speed.Meanwhile,the design
photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse
uses
frequency and feed
it back to SCM,this process implements rotate speed's
closed loop control
astatic
to attain the purpose of
modulation.In this system, the
128×64LCD is used as display unit , the
4×4
keyboard sets those four parameters P、I、D、V and obverse and
reverse control,after starting up,the display unit shows the electromotor's
current rotate speed and runtime.The system has great control precision and
anti-jamming capability.
Keywords： digital PID；PWM impulse；dutyfactor；astatic modulation
rotate speed's
2
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
前言
21 世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设
备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已进入高速发展的信息时代，控制技术
成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。
控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
其控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出
经过输出接口﹑执行机构、加到被控系统上；控制系统的被控量、经过传感器、变送
器、通过输入接口送到控制器。不同的控制系统、传感器﹑变送器﹑执行机构是不一
样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已经很多，产品已在工程实际中得到
了广泛的应用。
受益于数十年来全球经济高速成长所获得的 PID 控制成果,在中国市场，一大批
机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向
国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。在应用方面，这种控制技术已经渗透到了
医疗、汽车制造、铁道运输、航天航空、钢铁生产、物流配送、饮料生产等多个方面。
但是由于中国科技落后，为此，我们需要更进一步的学习、掌握与应用先进的控制技
术与解决方案，以提升设备性能、档次与市场竞争力。在国外，尤其在运动控制及过
程控制方面 PID 控制技术的应用更是越来越广泛和深入。随着科技的进步，人们对
生活舒适性的追求将越来越高，PID 控制技术作为一项具有发展前景和影响力的新
技术，正越来越受到国内外各行业的高度重视。
PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可
靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一当被控对象的结构和参数不能完全掌
握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结
构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当
我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数
时，最适合用 PID 控制技术。实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据偏
差的比例、积分、微分进行控制的。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的
输 出 与 输 入 误 差 信 号 成 比 例 关 系 。 当 仅 有 比 例 控 制 时 系 统 输 出 存 在 稳 态 误 差
（Steady-state error）。在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比
关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是
有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态
3
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的
增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它
推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)
控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入
误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。能反映偏差信号的变化趋势（变化
速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，
从而加快系统的动作速度，减少调节时间。因此在 运动控制系统中 PID 控制技术应
用更为广泛，是机器人等高技术领域的技术基础，它可以对运动部件的位置、速度等
进行实时控制管理，使其符合相应的控制要求。被广泛应用于汽车制造、医疗、铁道
运输、航天航空、钢铁生产等领域，并受到各行各业地重视。其中电机速度的控制在
运动控制理论中占有至关重要的作用，本设计主要应用数字 PID 算法，利用 PWM
调制技术实现电机转速的控制。随着社会的发展用户对其性能提出了越来越高的要
求，借助于数字和网络技术的智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面，各种新
技术的应用也大大提高了运动控制系统的性能，高频化、交流化和网络化成为今后的
发展方向。
本次设计主要研究的是 PID 控制技术在运动控制领域中的应用，纵所周知运动
控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生
产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用 PID
控制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以 AT89S51 单片机为控制核心，
产生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光
电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统，达到
转速无静差调节的目的。在系统中采 128×64LCD 显示器作为显示部件，通过 4×4
键盘设置 P、I、D、V 四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前
的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模
块、速度检测模块、人机交互模块。软件部分采用 C 语言进行程序设计，其优点为：
可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。
本次设计系统的主要特点：
（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；
（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，
从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调
节的目的；
4
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；
（4）128×64LCD 显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度
和运行时间；
（5）利用 Proteus 软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确
性，避免不必要的损失；
（6）采用数字 PID 算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；
（7）系统性能指标：超调量 ≤8％；
调节时间 ≤4s；
转速误差 ≤ ± 1r/min。
5
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
1 PID 算法及 PWM 控制技术简介
1.1 PID 算法
控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控
制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微
分（D）进行的控制，称为 PID 控制。实际经验和理论分析都表明，PID 控制能够
满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。下面
分别介绍模拟 PID、数字 PID 及其参数整定方法。
1.1.1 模拟 PID
在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是 PID 控制，常规 PID 控制系统
原理框图如图 1.1 所示，系统由模拟 PID 调节器、执行机构及控制对象组成。
+
r(t)
e(t)
-
比 例
积 分
微 分
+
+
u(t)
执 行 机 构
对 象
c(t)
图 1.1 模拟 PID 控制系统原理框图
制偏差：
)(te =
PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值 )(tr 与实际输出值 )(tc 构成的控
（1.1）
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为
PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将 P、I、D 基本控制
规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI
调节器，PID 调节器等。
)(tr － )(tc
模拟 PID 调节器的控制规律为
teKtu
)(
)([
p
=
+
1
T
I
t
tdeTdtte
])(
)(
dt
+
D
∫
0
（1.2）
式中， PK 为比例系数， IT 为积分时间常数， DT 为微分时间常数。
简单的说，PID 调节器各校正环节的作用是：
（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 )(te ,偏差一旦产生，调
节器立即产生控制作用以减少偏差；
（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于
6
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
积分时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强；
（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值
变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，
减少调节时间。
由式 1.2 可得，模拟 PID 调节器的传递函数为
1
ST
I
SUSD
)(
)(
SE
)(
K
1(
P
=
+
=
+
ST
)
D
（1.3）
由于本设计主要采用数字 PID 算法，所以对于模拟 PID 只做此简要介绍。
1.1.2 数字 PID
在 DDC 系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来
完成的。因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。
由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机
控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。
为将模拟 PID 控制规律按式（1.2）离散化，我们把图 1.1 中 )(tr 、 )(te 、
)(tu 、
)(tc 在第 n 次采样的数据分别用 )(nr 、 )(ne 、 )(nu 、 )(nc 表示，于是式（1.1）
变为 ：
)(ne =
)(nr － )(nc
− nene
)(
−
(
)1
（1.4）
近似代替，“积
)(tde 可用
当采样周期 T 很小时dt可以用 T 近似代替，
分”用“求和”近似代替，即可作如下近似
nene
(
)(
−
−
T
n
∑
tde
)(
dt
t
∫
dtte
)(
≈
≈
0
Tie
)(
)1
i
1
=
这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程
TneKnu
)(
T
I
)({
P
+
=
n
∑
i
1
=
Tne
)(
D
T
+
nene
)([
−
−
(
（1.5）
（1.6）
})]1
+
u
0
（1.7）
上式中 0u 是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P）项
)(nuP
,即
neKnu
)(
)(
=
)(nuI 即
第二项起积分控制作用,称为积分（I）项
n
∑
TKnu
T
iI
1
=
)(
=
P
P
p
I
ie
)(
7
（1.8）
（1.9）
西安科技大学电控学院毕业设计（论文）
第三项起微分控制作用,称为微分（D）项
TKnu
D
T
)(
D
=
P
)(nuD 即
nene
(
)([
−
−
)]1
（1.10）
这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:
P 控制:
PI 控制:
PD 控制:
PID 控制:
式（1.7）的输出量
=
=
=
=
（1.11）
（1.12）
（1.13）
（1.14）
(nu 为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻
ununu
)(
0
unununu
)(
)(
+
I
0
unununu
)(
)(
+
D
0
ununununu
)(
)(
)(
+
D
0
)
)(
+
P
)(
+
P
)(
+
P
)(
+
P
+
I
应达到的位置。因此,式（1.7）又称为位置型 PID 算式。
由（1.7）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差 )(ie
要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（1.7）进行改进。
,不仅
根据式（1.7）不难看出 u(n-1)的表达式，即
Tne
)(
D
T
neK
)1
=−
)1
+−
({
P
∑−
nu
(
+
n
1
T
T
I
i
1
=
ne
([
)1
−−
ne
(
−
})]2
+
u
0
（1.15）
将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字 PID 增量型控制算式为
nununu
)(
)1
−
∆
neneK
)]1
(
−
neneKneK
)(
−
)([
P
(2)([
D
ne
(
−
)1
+−
)(
=
−
+
+
−
=
(
I
)]2
（1.16）
从上式可得数字 PID 位置型控制算式为
)(nu
neneK
−
)(
)]1
)([
P
+
−
=
+
(
neneKneK
(2)([
D
−
I
)1
+−
ne
(
−
)]2
+
u
0
（1.17）
式中：
PK 称为比例增益；
TKK =
T
I
TKK
D
D =
T
P
P
I
称为积分系数；
称为微分系数[1]。
数字 PID 位置型示意图和数字 PID 增量型示意图分别如图 1.2 和 1.3 所示：
r(t) +
e(t)
-
u
P I D
位 置 算 法
控 制 器
被 控 对 象
c(t)
图 1.2 数字 PID 位置型控制示意图
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