基于PID控制的直流电机调速系统.pdf-资料库

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基于基于PID控制的直流电机调速系统控制的直流电机调速系统基于PID控制的直流电机调速系统基于单片机的直流电机PID调速系统整体硬件设计 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3-6 基于单片机的直流电机PID调速系统整体硬件结构框图主要由单片机控制单元、电机驱动电路、霍尔传感器电路构成。 4 直流电机PID系统软件设计 4.1 如何应用PID控制电机转速基于单片机的直流电机PID调速系统软件设计是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。 1. 在单片机中编程设定一数字量为控制直流电机速度的给定值； 2.利用霍尔传感器对直流电机进行测速，并将其转化为数字量作为直流电机的反馈值； 3. 应用数字PID模型作单片机控制编程，其中P、I、D参数可以通过以下增量式PID控制算法得出；具体的PID控制相关参数的计算和仿真如下： 4.1.1 直流电机动态数学模型直流电机相关参数如下：额定数据：10kW，220V,50A,1000r/min，系统电枢回路总电阻R=1.0 ， =44， =0.1925V*min/r，系统运行部分的飞轮惯量 =10N* ， =132.8V等等。

SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-1反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图由此可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：式中：。直流电机相关参数计算如下： L=0.017H 。计算系统各环节的时间常数：电磁时间常数：机电时间常数：又因为：Kp =21 闭环系统的开环放大系数：于是，原始闭环系统的开环传递函数是： 4.1.2 增量式PID控制算法当执行机构需要的是控制量的增量时，可由下式：式中：（4-1）

-----采样序号，K=0，1，2……； ----第K次采样时刻的脚手架输出值； ----第K次采样时刻的输入偏差值； ----第（K-1）次采样时刻输入的偏差值； ----积分系数, ； ----微分系数，； ----开始进行PID控制时计算机的输出值。导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得： (4-2) (4-3) 式（4-3）称为增量式PID控制算法。可将式(4-3)进一步改写为： (4-4) 用式(2-8)减式(4-2),可得式中式中: 他们都是由采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。不难看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了、和，只要使用前后3次测量值的偏差，就可以用式(4一3)或（4-4）求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu(k)对应的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制增量的积累用较多的是利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)通过执行软件来完成。需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件（如直流电机）来实现；目前采增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点：首先，由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。其次，手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。再次，算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。同时增量式控制也有不少缺点：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可以采用位置式控制算法，而在以直流电机或电动阀门作为执行器的系统

中，则可采用增量式控制算法。图4-2给出了增量式PID控制算法程序框图。 SHAPE \* MERGEFORMAT 式PID控制算法程序框图根据增量式PID控制算法，设计了仿真程序。被控对象如下：图4-2 增量 %建立系统的离散化模型 s=tf('s'); Gp=tf(55.85/((0.049*s+1)*(0.026*s+1)*(0.0167*s+1))); Ts=0.00167; Gpd=c2d(Gp,Ts); %连续系统离散化 %用根轨迹法找出临界值Kcr和Wcr figure(1) clf %清除当前图形 rlocus(Gpd); %绘制根轨迹 [K,Poles]=rlocfind(Gpd); %从根轨迹确定临界点对应的增益和极点 Kcr=K; Wcr=angle(Poles(1))/Ts; Tcr=2*3.14/Wcr;

%设计PID控制器 %按表中公式确定参数Kp，Ti，Td Kp=0.388*Kcr; Ti=0.5*Tcr; Td=0.125*Tcr; %按PID控制器模型确定Ki和Kd Ki=Kp*Ts/Ti; Kd=Kp*Td/Ts; disp('PID参数Kp,Ki,Kd分别为:') Kp Ki Kd %建立PID控制器的离散化模型Gcd(s) z=tf('z',Ts) Gcd=Kp+tf(Ki*z/(z-1))+tf(Kd*(z-1)/z); %检验PID控制器的性能 Gd=Gpd*Gcd; Gclose=feedback(Gd,1); figure(1) clf step(Gclose,'r') 运行的结果如下: selected_point = -3.2749 - 0.0559i PID参数Kp,Ki,Kd分别为: Kp = 1.7037e+004 Ki = 1.7045e+004 Kd = 4.2570e+003 Transfer function: z Sampling time: 0.00167 PID校正后阶跃响应曲线如图

4-3 PID校正后阶跃响应曲线如图由此, 我们可在动态仿真集成环境Simulink下构造一个系统模型，并将所求得的 , 和代入SIMULINK中，如图4-4所示。图4-4 控制系统模型图在Simulink窗口下点击开始仿真按钮, 双击SCOPE图标, 就可以得到如图4-5所示的，接入PID控制器后的闭环响应曲线。图4-5 PID整定后的阶跃响应曲线单片机PWM调宽输出作为输出值，通过H桥式直流电机驱动电路等，实现对直流电机的PID调压调速功能。具体应用：用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的

PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。最终实现对直流电机的PID调压调速功能。 4.2 调速系统主程序原理框图 SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-6 调速系统主程序原理框图 4.3 中断服务程序原理框图

SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-7中断服务程序原理框图 5 结论本文在广泛查阅资料，了解直流电机特性的基础上，对直流电机的控制原理进行了的研究，设计了一款简单直流电机PID控制器。本文所设计的基于AT89S51单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功能: (1)采用AT89S51单片机作为主控芯片，加强对直流电机的智能控制； (2)安全控制电机系统，利用霍尔元件，实现了系统的速度的反馈控制； (3)利用PID控制算法对于直流电机加以控制； (4)关于直流电机的先关参数计算，以及PID参数的获得；实践证明，本控制系统精度高，稳定性好，硬件简单且工作可靠,具有很好的推广价值。由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。 6 致谢首先在此表达对指导老师感谢。在做毕业设计这段时间里，指导老师给了我很多指导和建议，让我对直流电机控制系统有了很多了解，并学到了很多对我有用的东西。尽管他带教学课程，工作很忙，但他也抽出自己空余的时间辅导我们，对我们所问的

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