基于基于PID算法的单闭环直流调速系统设计与实现 算法的单闭环直流调速系统设计与实现 介绍了基于PID单闭环直流调速系统的设计方法。系统选用STC89C52单片机为控制器，并在此基础上完成了硬 件设计。利用脉宽调制技术，解决直流调速系统中调节时间长、抗干扰能力差等问题，实现了对直流电机速度 的控制。实验结果表明，该系统具有良好的动静态性能，对负载的变化具有较强的鲁棒性。 摘摘 要：要： 介绍了基于 关键词： 脉宽调制； 关键词： 直流电机具有调速范围广、易于平滑调速、启动/制动和过载转矩大、易于控制、可靠性高等特点，因此被广泛应用于对调 速性能要求较高的传动系统中[1]。但是开环控制抗干扰能力差，响应时间长。伴随着单片机技术的快速发展以及单片机自身 具有体积小、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等诸多优点[2]，选用单片机作为控制器实现直流电机闭环调速 是一种较为理想的选择。PID控制具有原理简单、易于实现、鲁棒性强等特点，并且在工业控制中得到广泛的运用。本文选用 单片机为控制器，采用传统PID控制规律实现对直流电机转速的控制。 1 PWM控制技术 控制技术 脉冲宽度调制技术简称PWM(Pulse Width Modulation)技术，就是用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频 率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速[3]。由其基本原理可知，一段时间内加 在负载两端的PWM脉冲与相等时间内加在负载上冲量相等的直流电压等效，那么在时间T内脉冲宽度为t0，幅值为U，其等效 直流电压U0为： 由式(1)可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比?琢来实现，从而达到利用PWM控制技术实 现对直流电机转速进行调节的目的[3]。由于PWM系统结构简单、调速范围广，所以应用越来越广泛。 2 系统硬件设计 系统硬件设计 2.1 系统方框图 系统方框图 根据设计需要，构建如图1所示调速系统。 系统的主电路主要由电源模块、控制器、驱动放大模块、测量反馈、实时显示模块构成。其中电源模块一方面实现对控制 器单片机系统提供直流电源，同时为驱动模块提供电源；测量反馈实现对直流电机的测速同时反馈给控制器作为输入信号；显 示模块实现人机交互，更好地反映了直流电机的速度变化过程。系统原理图如图2所示。 2.2 直流电机 直流电机 作为调速系统的被控对象，直流电机的选型很关键。本系统选用了Mitsumi公司的m25n型永磁直流电机。该电机额定电压5 V~12 V，空载电流仅有30 mA~55 mA，输出转矩最大为35 mN/m，最高转速达8 000 r/min，被广泛应用于航空模型、机器 人、玩具等领域，作为实验研究很有代表性。 2.3 电源模块 电源模块 稳定的工作电源是保证调速系统安全稳定运行的重要前提。本文选用L7809稳压芯片给直流电动机供电，用L7805稳压芯片 给控制器和传感器供电。可将12 V直流电源转换为稳定的5 V和9 V直流电，负载可达1.5 A。采用这种供电方式，单片机和传 感器工作稳定，对电机运行无影响，能够满足系统要求。 2.4 控制器设计 控制器设计 

控制器是系统的核心，系统需要一个定时器、一个计数器来计算转速，两个8位I/O口用以转速显示。因此选用STC89C52单 片机为核心控制器，它具有4 KB EEPROM存储器、512 B RAM、2个16位定时器/计数器、工作频率12 MHz、32个I/O口，资 源足够满足系统设计需要。 2.5 驱动模块硬件设计 驱动模块硬件设计 由于控制器的驱动能力仅有几毫安，不能直接控制电机，因此需要驱动电路来驱动直流电机。SGS公司生产的L298芯片是 一种高电压、大电流双H桥功率集成放大电路，最大驱动电流可以达到2.5 A，可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电 机等感性负载，因此选用L298能满足系统需求。 2.6 传感器传感器 要构成转速反馈环就要借助速度传感器，因此选用了霍尔效应传感器。霍尔传感器利用霍尔效应，在电机的轴上安装一个 磁性码盘，传感器表面接近磁场时便产生一个开关信号，再将这个信号送入控制器进行测速用来计算转速。这是一种数字测速 方法，原理简单，性能可靠，省去了模拟测量中的A/D转换，节省了控制器资源。 3.3 主程序软件流程图 主程序软件流程图 主程序软件流程图如图3所示。 3.4 控制器输出波形 控制器输出波形 控制器产生的PWM输出波形如图4所示。霍尔传感器实时输出波形如图5所示，由波形可看出转速是很稳定的，经计算其转 速为2 604 r/min，测量转速2 640 r/min与其差别不大,是可以接受的。 



本设计以单片机为控制器，基于PID控制算法，利用PWM技术完成了直流电机调速控制系统设计。该系统结构简单，实验 表明，系统性能可靠，能克服较大的扰动，且具有良好的动、静态性能和较强的鲁棒性，设计方案切实可行。 参考文献 参考文献 [1] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2005. [2] 张毅刚，彭喜媛.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007. [3] 贾玉英，王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J].包头钢铁学院学报，2005，24（4）：48-51. [4] 李国勇.过程控制系统[M].北京：电子工业出版社，2009.