基于PID控制直流电机PWM调压调速器系统.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.39M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第1章绪论

1.1 PID简介

1.2反馈回路基础

1.3理论

第2章设计原理

第3章设计方案

3.1 PWM的介绍

3.2 PWM的控制方法

3.3 PWM的控制

3.4 基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统

心得体会

参考文献

目录第 1 章绪论...............................................................................................0 1.1 PID 简介......................................................................................... 1 1.2 反馈回路基础.................................................................................2 1.3 理论.................................................................................................3 第 2 章设计原理.......................................................................................4 第 3 章设计方案.......................................................................................5 3.1 PWM 的介绍.................................................................................. 5 3.2 PWM 的控制方法.......................................................................6 3.3 PWM 的控制................................................................................ 13 3.4 PID 控制直流电机 PWM 调压调速器系统...............................14 心得体会...................................................................................................23 参考文献...................................................................................................24 0

第 1 章绪论 1.1 PID 简介 PID（比例积分微分）是一个数学物理术语。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 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。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系 1

统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是 0 和 t 因此它的传递函数为： G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数。图 1.0 PID 控制器的方块图 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个 PID 反馈回路却可以保持系统的稳定。 1.2 反馈回路基础 PID 回路是要自动实现一个有量具和控制旋钮的操作人员的工作。这个操作人员会用量具测系统输出的结果，然后用控制旋钮来调整这个系统的输入，直到系统的输出在量具上显示稳定的需求的结果。在旧的控制文档里，这个过程叫做 “复位”行为。量具被成为“测量”。需要的结果被成为“定值”。定值和测量之间的差别被成为“误差”。一个控制回路包括三个部分：(1)系统的传感器得到的测量结果；(2)控制器作出决定；(3)通过一个输出设备作出反应。控制器从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差。然后用误差来计算出一个对系统的纠正值来作为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。在一个 PID 回路中，这个纠正值有三种算法，消除目前的误差，平均 2

过去的误差，和透过误差的改变来预测将来的误差。比如说，假如一个水箱在为一个植物提供水，这个水箱的水需要保持在一定的高度。一个传感器就会用来检查水箱里水的高度，这样就得到了测量结果。控制器会有一个固定的用户输入值来表示水箱需要的水面高度，假设这个值是保持 65％的水量。控制器的输出设备会连在一个马达控制的水阀门上。打开阀门就会给水箱注水，关上阀门就会让水箱里的水量下降。这个阀门的控制信号就是我们控制的变量，它也是这个系统的输入来保持这个水箱水量的固定。PID 控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如，它可以用来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。汽车上的巡航定速功能就是一个例子。一些控制系统把数个 PID 控制器串联起来，或是链成网络。这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。我们会常常需要马达有一个控制的速度并且停在一个确定的位置。这样呢，一个子控制器来管理速度，但是这个子控制器的速度是由控制马达位置的主控制器来管理的。连合和串联控制在化学过程控制系统中是很常见的。 1.3 理论 PID 是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：（1）比例- 来控制当前，误差值和一个负常数 P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是 10°C，它的预定值是 20°C。那么它在 10° C 的时候会输出 100%，在 15°C 的时候会输出 50%，在 19°C 的时候输出 10％，注意在误差是 0 的时候，控制器的输出也是 0。（2）积分- 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数 I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个 PID 回路系统会在预定值定下来。 3

（3）导数- 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数 D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个 D参数也是 PID 被成为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要 D参数。用更专业的话来讲，一个 PID 控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。第 2 章设计原理基本的设计核心是运用 PID 调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。运用 A/D 转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值；用压控振荡器模拟直流电机的运行（电压高-转速高-脉冲多），单片机在单位时间内对脉冲计数作为电机速度的检测值；应用数字 PID 模型作单片机控制编程，其中 P、I、D 参数可按键输入并用 LED 数码显示；单片机 PWM 调宽输出作为输出值，开关驱动、电子滤波控制模拟电机（压控振荡器）实现对直流电机的 PID 调压调速功能。基于以上的核心思想，我们把这次设计看成五个环节组成，其具体的原理如下见原理图 2.0 图 2.0 PID 调速设计原理图如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们现运用 AD 芯片，运用单片机来控制 AD 芯片来转换模拟电压到数字电压，AD 给定的电压 4

越大，则产生的数字量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个 PWM，PWM 占空比越大，就驱动晶体管导通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也就越大，电压越大，则压频转换器输出的计数脉冲再单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大，其转速也就会越快，我们再用单片机对压频转换器的输出脉冲计数，PID 调节器就把这个计数脉冲和预先设定的值进行比较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到 AD 的给定电压，这样就相当于加大了 PWM 的占空比，要是比设定值大，这样也会得到一个偏差，就把这个变差与给定的电压向减，这样就可以减少 PWM 的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间，就可以改变压频转换器的输入电压，也就改变压频转换器的单位计数脉冲，达到调电动机速度的目的。第 3 章设计方案 3.1 PWM 的介绍脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。许多微控制器内部都包含有 PWM 控制器。例如，Microchip 公司的 PIC16C67 内含两个 PWM 控制器，每一个都可 5

以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行 PWM 操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：（1）设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期。（2）在 PWM 控制寄存器中设置接通时间。（3）设置 PWM 输出的方向，这个输出是一个通用 I/O 管脚。（4）启动定时器。（5）使能 PWM 控制器。 PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 3.2 PWM 的控制方法采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM 控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM 控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪 80 年代以前一直未能实现.直到进入上世纪 80 年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM 控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM 控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种 PWM 控制技术,根据 PWM 控制技术的特点,到目前为止主要有以下 8 类方法。 6

3.2.1 相电压控制 PWM （1）等脉宽 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽 PWM 法正是为了克服 PAM 法的这个缺点发展而来的, 是 PWM 法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于 PAM 法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。（2）随机 PWM 在上世纪 70 年代开始至上世纪 80 年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过 5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善,随机 PWM 方法应运而生，其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱，正因为如此,即使在 IGBT 已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机 PWM 仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机 PWM 技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路。（3）SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的 PWM 法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM 法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案：①等面积法。该方案实际上就是 SPWM 法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成 PWM 7

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