PID电动机转速控制与显示
PID 电动机转速控制与显示
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。本文以A T89S51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．PID 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。
图1.1 模拟PID 控制系统原理框图
PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控制偏差： )(t e =)(t r －)(t c （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。
模拟PID 调节器的控制规律为
])
()(1
)([)(0
dt
t de T dt t e T t e K t u D
t
I
p ++
=? （1.2）
式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间常数，D T 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)(t e ,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积分时
间常数I T ，I T 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
1()()()(S T S
T K S E S U S D D I P ++==
（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)(t r 、)(t e 、)(t u 、)(t c 在第n 次采样的数据分别用)(n r 、)(n e 、)(n u 、)(n c 表示，于是式（1.1）变为 ：
)(n e =)(n r －)(n c （1.4）
当采样周期T 很小时dt 可以用T 近似代替，)(t de 可用)1()(--n e n e 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似
T n e n e dt t de )1()()(--≈ （1.5） ?∑=≈t
n
i T i e dt t e 01
)()( （1.6）
这样，式（1.2）便可离散化以下差分方程
01
})]1()([)()({)(u n e n e T
T n e T T
n e K n u n
i D
I
P +--+
+
=∑= （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)(n u P ,
即
)()
(n e K n u P p = （1.8）
第二项起积分控制作用,称为积分（I ）项)(n u I 即
∑==n
i I P I i e T T K n u 1
)()( （1.9） 第三项起微分控制作用,称为微分（D ）项)(n u D 即
)]1()([)(--=n e n e T
T K n u D
P
D （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: 0)()(u n u n u P += （1.11） PI 控制: 0)()()(u n u n u n u I P ++= （1.12）
PD 控制: 0)()()(u n u n u n u D P ++=
（1.13） PID 控制: 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++=
（1.14）
式（1.7）的输出量)(n u 为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。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)(i e ,不仅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。
根据式（1.7）不难看出u (n -1)的表达式，即
01
1
})]2()1([)()1({)1(u n e n e T
T n e T T
n e K n u n i D
I
P +---+
+
-=-∑-= （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
)1()()(--=?n u n u n u
)]2()1(2)([)()]1()([-+--++--=n e n e n e K n e K n e n e K D I P （1.16）
从上式可得数字PID 位置型控制算式为
)(n u 0)]2()1(2)([)()]1()([u n e n e n e K n e K n e n e K D I P +-+--++--= （1.17）
式中： P K 称为比例增益；
I P
I T T
K K =称为积分系数； T
T K K D
P
D =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：
图1.2 数字PID 位置型控制示意图
图1.3 数字PID 增量型控制示意图
1.1.3 数字PID 参数整定方法
如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
PID 调节器的参数整定方法有很多，但可归结为理论计算法和工程整定法两种。用理论
计算法设计调节器的前提是能获得被控对象准确的数学模型，这在工业过程中一般较难做到。因此，实际用得较多的还是工程整定法。这种方法最大优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型，简单易行。当然，这是一种近似的方法，有时可能略嫌粗糙，但相当适用，可解决一般实际问题。下面介绍两种常用的简易工程整定法。
（1）扩充临界比例度法
这种方法适用于有自平衡特性的被控对象。使用这种方法整定数字调节器参数的步骤是：
①选择一个足够小的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分
之一以下。
②用选定的采样周期使系统工作：工作时，去掉积分作用和微分作用，使调节器成为纯比
例调节器，逐渐减小比例度δ（P K /1=δ）直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，记下此时的临界比例度K δ及系统的临界振荡周期k T 。
③选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC 的控制效果与模拟调节器
的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积
?
∞
2)(t e 表示。
控制度＝
模拟
])([])([02
2
??∞
∞
dt t e dt t e DDC （1.18）
实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理 概念。通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC 与模拟控制效果相当；当控制度为2.0时，DDC 比模拟控制效果差。
④根据选定的控制度，查表1.1求得T 、P K 、I T 、D T 的值[1]。
表1.1 扩充临界比例度法整定参数
（2）经验法
经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度，参考测量值跟踪与设定值曲 线，来调整P 、I 、D 三者参数的大小的，具体操作可按以下口诀进行：
参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长。
下面以PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
①让调节器参数积分系数I K =0，实际微分系数D K =0，控制系统投入闭环运行，由小到
大改变比例系数P K ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
②取比例系数P K 为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数I K ，同样让扰动信号作
阶跃变化，直至求得满意的控制过程。
③积分系数I K 保持不变，改变比例系数P K ，观察控制过程有无改善，如有改善则继续
调整，直到满意为止。否则，将原比例系数P K 增大一些，再调整积分系数I K ，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数P K 和积分系数I K 为止。
④引入适当的实际微分系数D K 和实际微分时间D T ，此时可适当增大比例系数P K 和积
分系数I K 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P 可
在10以上,I 在（3、10）之间,D 在1左右。小惯量如：一个小电机闭环控制，一般P 在
（1、10）之间,I 在（0、5）之间,D 在（0.1、1）之间,具体参数要在现场调试时进行
修正。
1.2 PWM 脉冲控制技术
PWM (Pulse Width Modulation )控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一
系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
1.2.1 PWM 控制的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1.4中a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.4的a 为矩形脉冲，图1.4的b 为三角脉冲，图1.4的c 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于
1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如
图1.4的d 所示的单位脉冲函数)(t 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图1.4 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图1.5a 的电路是一个具体的例子。图中)(t e 为窄脉冲，其形状和面积分别如图1.4的
a 、
b 、
c 、
d 所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L 电路上，设其电流)(t i 为电路的输出。图1.5b 给出了不同窄波时)(t i 的响应波形。从波形可以看出，在)(t i 的上升
段，脉冲形状不同时)(t i 的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各)(t i 波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应)(t i 也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各)(t i 在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同[2]。
图1.5冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
1.2.2直流电机的PWM控制技术
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。
直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。正因为直流PWM调速系统有以上优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。
随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。下面主要介绍直流电机PWM调速系统的算法实现。
U
0根据PWM 控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM 脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T 内脉冲宽度为0t ,幅值为U ，由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：
图1.6 PWM 脉冲
T
U
t U ?=00，若令T t 0=α，α即为占空比，则上式可化为：
U U ?=α0
(U 为脉冲幅值) （1.19）
若PWM 脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算
方法与上述相同，即
U T
U
t nT U nt U ?=?=?=
α000 （α为矩形脉冲占空比） （1.20）
图1.7 周期性PWM 矩形脉冲
由式1.20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α来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比α的大小实现等效直流电压在0～U 之间任意调节，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。
2．设计要求与方案论证
2.1设计要求
（1）电机转速可以键盘设计
（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；
（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。
2.2方案论证
2.2.1系统总体方案
根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图3.1所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。
图2-1系统方案框图
2.2.2 控制器模块方案
根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。对于控制器的选择有以下三种方案。
方案一：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能[3]，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制PWM脉冲的占空比，但是由于本次设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使
其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：采用AT89S51作为系统控制的方案。AT89S51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制[4]。相对于FPGA来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。
方案三：采用传统的AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。它和AT89S51一样都具有软件编程灵活、体积小、成本低,使用简单等特点，但是它的频率较低、运算速度慢，RAM、ROM空间小等缺点。本题目在确定圆周坐标值时，需要进行大量的运算。若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。
综合上述三种方案比较，采用AT89S51作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。因此在本次设计选用方案二。
2.2.3 电机驱动模块设计方案
本次设计的主要目的是控制电机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有一下两种。
方案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。
方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。
基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。
2.2.4 速度采集模块设计方案
本系统是一闭环控制系统，在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较，速度采集模块就是为完成这样功能而设计的，其设计方案以下三种：
方案一：采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成。当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通[5]，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。
方案二：采用对射式光电传感器。其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。通过脉冲计数，对速度进行测量。
方案三：采用测速发电机对直流电机转速进行测量。该方案的实现原理是将测速发电机固定在直流电机的轴上，当直流电机转动时，带动测速电机的轴一起转动，因此测速发电机
会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势，因此精度比较高，但由于该方案的安装比较复杂、成本也比较高，在本次设计没有采用此方案。
以上三种方案中，第三种方案不宜采用，第一种和第二种方案的测速原理基本相同都是将电机转速转换为电脉冲的频率进行测量，但考虑到市场中的霍尔元件比较难买，而且成本也比较高，所以综合考虑在设计中选用第二种方案进行设计。
2.2.5 显示模块设计方案
在电机转速控制系统中，系统需要对参数、工作方式以及电机当前运行状态的显示，因此在整个系统中必须设计一个显示模块，考虑有三种方案：
方案一：使用七段数码管（LED）显示。数码管具有亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点，并且它可采用BCD编码显示数字，编程容易，硬件电路调试简单。但由于在此次设计中需要设定的参数种类多，而且有些需要进行汉字和字符的显示，所以使用LED显示器不能完成设计任务，不宜采用。
方案二：采用1602LCD液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示，但考虑到1602LCD液晶显示器的屏幕小，不能显示汉字，因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。
方案三：采用128×64LCD液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较上面两种方案复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。
根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案三。
2.2.6 键盘模块设计方案
在电机转速控制系统中，系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定以及电机起停的控制，因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分，考虑有二种方案：
方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，并且各按键相互独立，每个按键均有一端接地，另一端接到输入线上。按键的工作状态不会影响其它按键上的输入状态。但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根输入口线，所以在按键数量较多时，I/O 口浪费大，故此键盘只适用于按键较少或操作速度较高的场合。
方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设
m 个按置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需m根行线和n根列线就可组成n
键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂[6]。
根据上面两种方案的论述，由于本次设计的系统硬件连接比较复杂，对软件的运行速度要求不高，所以采用方案二矩阵式键盘进行设计。
2.2.7 电源模块设计方案
电源是任何系统能否运行的能量来源，无论那种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑一下两种方案。
方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一般不宜采用。
方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此种方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。
根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。
3 单元电路设计
3.1 硬件资源分配
本系统电路连接及硬件资源分配见图3.1所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过AT89S51的P3.3口将电脉冲信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，利用128×64LCD显示器和4×4键盘作为人机接口。
图3.1系统电路连接及硬件资源分配图
3.2 电源电路
电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要12V 电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图3.2所示。
图3.2电源电路
3.3 电机驱动电路
驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用L298N电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替
导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vss接逻辑控制的电源。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM 信号实现电机调速。其电路如图3.3所示，利用两个光电耦合器将单片机的I/O与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的PWM脉冲控制L298N的选通端[7]，使电机在PWM脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。
图3.3 电机驱动电路
3.4 电机速度采集电路
在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽如图3.5（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图3.4（b）所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。例如当电机以一定的转速运行时，P3.3将输出如图3.5所示的脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。
图3.4 电机速度采集方案
图3.5 传感器输出脉冲波形
3.5 显示电路设计
根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较都，而且需要汉字显示，在这里选用
128×64液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，可完成汉字（16×16）显示和
图形显示共有20个引脚[8]，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图3.6，引脚功能如表3.1所示。
图3.6 128×64LCD 引脚分布 表3.1 12864液晶显示模块引脚功能
液晶显示器与单片机的连接电路如图所示：
图3.7显示模块电路图
3.6 键盘电路设计
根据设计需求，本系统中使用了4×4键盘用以实现对P、I、D三个参数和电机正反转的设定，以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制，其电路原理图如图4.8所示。图中L0～L3为4×4键盘的列信号，H0～H3为4×4键盘的行信号。在本系统中，用P1.0～P1.3连接键盘的列信号L0～L3；用P0.4～P0.7连接键盘的行信号H0～H3[9]。按照要求设计操作面板如图3.8所示：
)]2()1(2)
([)()]1()([u n e n e n e K n e K n e n e K D I P +-+--++-
-
图3.8 键盘模块
键盘操作说明：在系统开始运行时，128×64LCD 将显示开机界面，若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按1、2、3、4进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。
4 软件设计
4.1 算法实现
4.1.1 PID 算法
本系统设计的核心算法为PID 算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差)(n e ，对偏差进行P 、I 、D 运算最终利用运算结果控制PWM 脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节[10]，进而控制电机转速。其运算公式为：
=)(n u
因此要想实现PID 控制在单片机就必须存在上述算法， 其程序流程如图4.1所示。 4.2.2 电机速度采集算法
本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为测速装置，其计算公式为：
v =
60??t
N n
r/min 从这里可以看出速度
v
的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的
图4.1
PID 程序流程
多少决定的，为了减少系统误差应尽量提高凹槽的数量，在本次设计中取凹槽数N 为120，采样时间t 为0.5s ，则速度计算具体程序流程如图4.2所示。
图4.2 测速程序流程
4.2 程序流程
4.3.1 主流程图
在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图4.3所示。
图4.3 主程序流程
4.2.2键盘程序程序流程Array键盘中断程序是用来设在系统相应参数和控制系统进入相应的运行状态，其程序流程图如图4.4
所示。
4.2.3 定时程序流程
在本系统中定时器T0中断子程序是用来控制电机运行时间和进行速度计算和PID 运算，其程序流程如图4.5所示。
图4.5 定时程序流程
4.2.4 显示程序流程
显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用128×64LCD 显示器可实现对汉字和字符的显示，该显示器的引脚功能在上面已经做了说明。其显示子程序流程如图4.6所示。
a) 写入16*16汉字程序流程
b)写入8*16数字
PID控制电机实验报告范本
Record the situation and lessons learned, find out the existing problems and form future countermeasures. 姓名：___________________ 单位：___________________ 时间：___________________ PID控制电机实验报告
编号：FS-DY-20618 PID控制电机实验报告 摘要 以电机控制平台为对象，利用51单片机和变频器，控制电机精确的定位和正反转运动，克服了常见的因高速而丢步和堵转的现象。电机实现闭环控制的基本方法是将电机工作于启动停止区，通过改变参考脉冲的频率来调节电机的运行速度和电机的闭环控制系统由速度环和位置环构成。通过PID调节实现稳态精度和动态性能较好的闭环系统。 关键词：变频器PID调节闭环控制 一、实验目的和任务 通过这次课程设计，目的在于掌握如何用DSP控制变频器，再通 过变频器控制异步电动机实现速度的闭环控制。为实现闭环控制，我们需完成相应的任务： 1、通过变频器控制电机的五段调速。
2、通过示波器输出电机速度变化的梯形运行图与s形运行图。 3、通过单片机实现电机转速的开环控制。 4、通过单片机实现电机的闭环控制。 二、实验设备介绍 装有ccs4.2软件的个人计算机，含有ADC模块的51单片机开发板一套，变频器一个，导线若干条。 三、硬件电路 1.变频器的简介 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，变频器还有很多的保护功能。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。 2.变频器的使用 变频器事物图变频器原理图
PID电动机转速控制与显示
PID 电动机转速控制与显示 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。本文以A T89S51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．PID 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。 图1.1 模拟PID 控制系统原理框图 PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控制偏差： )(t e =)(t r －)(t c （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。 模拟PID 调节器的控制规律为 ]) ()(1 )([)(0 dt t de T dt t e T t e K t u D t I p ++ =? （1.2）
PID调节控制做电机速度控制
PID调节控制做电机速度控制 V1.1 – Jan 23, 2006 中文版 19, Innovation First Road ? Science Park ? Hsin-Chu ? Taiwan 300 ? R.O.C. Tel: 886-3-578-6005 Fax: 886-3-578-4418 E-mail: mcu@https://www.360docs.net/doc/2d8689752.html,
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目录 页 1模拟PID控制 (1) 1.1 模拟PID控制原理 (1) 2数字PID控制 (3) 2.1 位置式PID算法 (3) 2.2 增量式PID算法 (4) 2.3 控制器参数整定 (4) 2.3.1 凑试法 (5) 2.3.2 临界比例法 (5) 2.3.3 经验法 (5) 2.3.4 采样周期的选择 (6) 2.4 参数调整规则的探索 (6) 2.5 自校正PID控制器 (7) 3软件说明 (8) 3.1 软件说明 (8) 3.2 档案构成 (8) 3.3 DMC界面 (8) 3.4 子程序说明 (9) 4程序范例 (16) 4.1 DEMO程序 (16) 4.2 程序流程与说明 (19) 4.3 中断子流程与说明 (20) 5MCU使用资源 (21) 5.1 MCU硬件使用资源说明 (21) 6实验测试 (22) 6.1 响应曲线 (22) 7参考文献 (26)
电机的PID控制
#include "DSP28_Device.h" #include "pmsm3_1.h" #include "parameter.h" #include "build.h" // 函数声明 interrupt void EvaTimer1(void); interrupt void EvaTimer2(void); // 全局变量定义 float Vd_testing = 0; /* Vd testing (pu) */ float Vq_testing = 0.25; /* Vq testing (pu) */ float Id_ref = 0; /* Id reference (pu) */ float Iq_ref = 0.4; /* Iq reference (pu) */ float speed_ref = 0.2; /* Speed reference (pu) */ float T = 0.001/ISR_FREQUENCY; /* Samping period (sec), see parameter.h */ int isr_ticker = 0; int pwmdac_ch1=0; int pwmdac_ch2=0; int pwmdac_ch3=0; volatile int enable_flg=0; int lockrtr_flg=1; int speed_loop_ps = 10; // 速度环定标器 int speed_loop_count = 1; // 速度环计数器 CLARKE clarke1 = CLARKE_DEFAULTS; PARK park1 = PARK_DEFAULTS; IPARK ipark1 = IPARK_DEFAULTS; PIDREG3 pid1_id = PIDREG3_DEFAULTS; PIDREG3 pid1_iq = PIDREG3_DEFAULTS; PIDREG3 pid1_spd = PIDREG3_DEFAULTS; PWMGEN pwm1 = PWMGEN_DEFAULTS; PWMDAC pwmdac1 = PWMDAC_DEFAULTS; SVGENDQ svgen_dq1 = SVGENDQ_DEFAULTS; QEP qep1 = QEP_DEFAULTS; SPEED_MEAS_QEP speed1 = SPEED_MEAS_QEP_DEFAULTS;
基于uCCOS的直流电机PID转速闭环调速控制系统Proteus仿真实现…
基于uC/COS的直流电机PID转速闭环调速控制系统Proteus仿真实现 在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。 在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Matlab就是一个典型的实时仿真软件。实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进行仿真。 在系统软件开发中开发中可用操作系统，也可不用操作系统。如用操作系统，程序可实现模块化，并能对系统资源进行统筹管理，最主要的是可实现多任务运行。如果需要多任务并行运行，并且需要一定的时间间隔，某些任务对时间的要求不高时，如不用操作系统则要占用定时器资源，并且对栈空间和硬件资源很难进行管理，所以在这种情况下需要操作系统。本系统用操作系统uC/COS. uC/COS是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核.uC/COS 已经有很多产品成功使用的案例且得到美国军方的认证，说明了该系统的可靠性。uC/COS 源代码公开，代码短，源代码大部分是使用ＡNSI C编写的，移植性和裁减性好，功能强大，能可靠应用于各种控制系统中。 系统构成
智能车速度控制pid(电机闭环控制算法)
智能车速度控制pid（电机闭环控制算法） 对于智能车的电机闭环控制算法，我之所以标题没有写上智能车电机PID闭环控制算法是因为PID 算法根本就不是特别好的适用于智能车这种变化很快的系统，对于智能车，电机的调速可以说是时时刻刻再进行调速控制的，我上面说描述的经典PID 算法，都是针对一些惰性系统，也就是说是变化比较慢的系统的，所以对于智能车的电机调速采用完完整整的PID 算法，是根本不可取的，及时采用了，你必须要经过一些变换和改进才能使用。以上的简述只是鄙人自己的看法，如有错误，请各位高手指正。现在估计您会疑问，PID 不适用于智能车的电机控制，那什么才适用呢？ 鄙人原来做过智能车，从鄙人本身的理解，P 算法控制电机，也就是比例控制是最好的，反应速度快，控制精度高，不存在积分和微分效应，非常适用于适用于控制周期短的系统，当然，对于一些特殊的逻辑控制算法，可能要采用PD算法，用微分来做补偿，防止震荡和超调。下面来说下电机控制算法从开始的加入到最终的确定的方法： 当然这一切的前提就是安装了编码器，车速有反馈，只有加上编码器，有了反馈，才能组成一个闭环系统。当然您也可以加上码盘，或者霍尔开关等一切可以返回车速的东西都可以。 （1）首先建议在车速比较慢的时候，采用PID 算法来控制电机，为什么开始要建议您采用PID 呢？主要是为了让您更加深刻理解PID 算法的精髓和调试步骤方法等，有助于以后对控制算法更加深入的研究和书写。调试PID 三个参数的方法，很多地方都提供了，我在这里简单的说下：首先将ID 参数都变为0，先调整P 比例参数，调整到速度基本上跟您给定的速度差不多，也就是说基本稳定在您给定的脉冲数，当然这个时候会非常的震荡，不要担心，接下来调整I，调整I 的结果就是震荡会消除很多，但是车速会变化缓慢，也就是说会有一些延迟，然后再调整D，调整D 的结果就是增强调节的灵活性和预见性，在给定速度变化的过程中，能够以一个平稳过渡来变换，而且速度可以长时间稳定在给定速度附近，然后PID 三个参数的基本范围就确定了，然后再根据实际的跑车来微调这些参数，当然在您调试PID之前，请仔细阅读PID 理论知识，这样有助于您的调试和理解，
直流电机PID控制与仿真.
长春大学 课程设计说明书 题目名称直流电机速度PID控制与仿真 院（系）电子信息工程学院 专业（班级）自动化13403 学生姓名张华挺 指导教师曹福成 起止日期2016.10.24——2016.11.04
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 直流电机速度PID控制与仿真 摘要：在本次课程设计中重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种调速方法。在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点。 关键词：直流电动机；转速控制；PID控制；Matlab仿真
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ DC Motor Speed PID Control and Simulation Abstract: In this curriculum design, the work principle of DC motor and DC motor speed control methods are studied. In speed control, we include two parts, one is the open loop control of DC motor, the other is a closed loop DC motor control in DC motor closed-loop control, and introduces the speed closed-loop control and PID control, and each model of the DC motor for modeling and simulation to observe the dynamic performance analysis of DC motor control and the advantages and disadvantages of each. Keywords: DC motor; speed control; PID control; Matlab simulation
对直流无刷电机的pid控制
PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制 闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。 PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。 2速度设定值和电机转速的获取 为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。 无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。 由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。 电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。 3非线性变速积分的PID算法 （1）PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为： 其中：KP，KI，KD分别为调节器的比例、积分和微分系数；E（k），E（k－1）分别为第k 次和k－1次时的期望偏差值；P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应，KP越大，控制作用越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，甚至使系统出现等幅振荡，减小KI可以降低系统的超调量，但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化，有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，但其对干扰敏感，不利于系统的鲁棒性。 （2）经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变，或电机的转速发生突变时，会引起偏差的阶跃，使｜E（k）｜增大，PID的输出P（k）将急剧增加或减小，以至于超过控制量的上下限Pmax，此时的实际控制量只能限制在Pmax，电机的转速M（k）虽然不断上升，但由于控制量受到限制，其增长的速度减慢，偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值，从而使得PID 算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后，开始出现负的偏差，但由于积分项已有相当大的累积值，还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区，这就是正向积分饱和，反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到），
PID控制PWM调节直流电机速度
模板 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； （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 。 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。 图1.1 模拟PID 控制系统原理框图 PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控 制偏差： )(t e =)(t r －)(t c （1.1）
电机自调整PID调速
神经元自整调速电机 成员：左俊杰、薛培康、屠陈涛 班级：13自动化卓越班 学号： 1300801301
一、实现功能 1.可实现电机的正转反转以及电机制动。 2.利用神经元自整定调速算法，速度范围600~3000 r/min 3.NOKIA5510显示屏，显示速度 二、设计方案 1.系统设计 根据任务要求，我们设计出了以下系统框图。我们是以stm32为核心控制器，它可以输出占空比不同的PWM脉冲，还可以对光电测速模块传回来的信号进行处理。除此之外它还有人机交互功能，我们通过键盘改变设定速度，在电机速度趋于稳定后，我们可以在显示屏上看到设定速度与当前运行速度，方便快捷。 图1 系统方案框图
U7 C2 0.33μF C6 0.33μF Vin 1G N D 2 +5V 3 U 47805 Vin 1 G N D 2 +12V 3 U37812 C3 0.1μF C7 0.1μF +5v +12v 1 2 3 4 U6 C8 20μF C5 3300μF C4 20μF C1 3300μF 1 2J1 ~220V 2、硬件设计 2.1控制器模块 根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受算法控制的PWM 脉冲，并对电机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。 本作品采用stm32作为核心控制器。 2.2 电源电路 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要12V 电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V 的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A ，能够满足系统的 要求，其电路如图2-1所示。 图2-1 电源电路 2.3 功率放大驱动电路(外加光耦隔离) 单片机不能直接控制电机的转动，我们需要一个功率放大驱动电路来起到桥 梁的作用，经过比较我们选择了H 桥，此外我们这个驱动电路还加了一个光耦隔离。H 桥性价比高，且对于直流电机调速非常简单，而且该电路具有较强的驱动能力和保护功能，还能控制电机的转动方向。电路如图2-2所示。左端两个输入口接单片机输入PWM 脉冲控制H 桥三极管的导通截止，PWM 脉冲由单片机对应端口输出，其中有一个端口输出PWM 脉冲来控制电机的转动方向。此外光
直流电机转速控制实验报告
自动控制原理实验 实验报告
直流电机转速控制设计 一、实验目的 1、了解直流电机转速测量与控制的基本原理。 2、掌握LabVIEW图形化编程方法，编写直流电机转速控制系统程序。 3、熟悉PID参数对系统性能的影响，通过PID参数调整掌握PID控制原理。 二、实验设备与器件 计算机、NI ELVIS II多功能虚拟仪器综合实验平台、LabVIEW软件、万用表、12V直流电机、光电管，电阻、导线。 三、实验原理 直流电机转速测量与控制系统的基本原理是：通过调节直流电机的输入电压大小调节电机转速；利用光电管将电机转速转换为一定周期的光电脉冲、采样脉冲信号，获取脉冲周期。将脉冲的周期变换为脉冲频率，再将脉冲频率换算为电机转速；比较电机的测量转速与设定转速，将转速偏差信号送入PID控制器，由PID控制器输出控制电压，通可变电源输出作为直流电机的输入电压，实现电机转速的控制。 四、实验过程 （1）在实验板上搭建出电机转速光电检测电路 将光电管、直流电机安装在实验板上的合适位置，使得直流电机的圆片恰好在光电管之中，用导线将光电管与相应阻值的电阻相连，并将电路与相应的接口相连，连接好的电路图如下。
（2）编写程序，实现PID控制 SP为期望转速输出，是用户通过转盘输入期望的转速；PV为实际测量得到的电机转速，通过光电开关测量马达转速可以得到；MV为PID输出控制电压，将其接到“模拟DBL”模块，实现控制电源产生所需的直流电机控制电压。通过不断地检测马达转速与期望值对比产生偏差，通过PID控制器产生控制信号，实现对直流电机转速的控制。 编写的程序如下图所示
五、调试过程及结果 PID参数调整如下时，系统出现了振荡现象，导致了系统的不稳定。 于是将参数kc调小，调整后的参数如下： 系统出现了一定程度的超调，不满足实际的应用。 继续将Ti参数调大，并加入移位寄存器，对转速测量值取滑动平均，得到较为理想的
PID控制直流电机速度
P I D控制直流电机速度 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
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 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
电机PID控制
一、实验名称：51系列单片机直流电机闭环调速实验 ——基于Proteus仿真实验平台实现基本情况： 1. 学生姓名： 2. 学号： 3. 班级： 4. 实验项目组长： 5. 同组其他成员： 6.具体分工： （1）组长电路设计仿真整合实验报告 （2）组员相关资料收集 （3）组员程序编写 7.本人在项目组的作用描述： 主要负责实验方案的确定，电路设计仿真和实验报告的整理及完成 主要负责实验前相关资料的收集和试验中主要原理的收集 主要负责C语言程序编写，根据电路仿真图及实验要求，编写程序
二、实验内容(实验原理介绍)： 1、实验原理 通过12位的模数串行转换器TLC2543模拟给定直流电机的速度，AT89C51单片机通过电机驱动电路控制直流电机的运转。同时可以通过4*4键盘对PID的参数进行设定，把实时的速度反馈回来经过PID进行调节，并将调节后的转速通过显示界面LCD1602液晶显示器显示出来。 2、元件原理简介 2.1、TLC2543 TLC2543是是一种数模转换器芯片，是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。 1、TLC2543具有以下特点： （1）12位分辩率A/D转换器； （2）在工作温度范围内10μs转换时间； （3）11个模拟输入通道； （4）3路内置自测试方式； （5）采样率为66kbps；（6）线性误差±1LSBmax； （7）有转换结束输出EOC； （8）具有单、双极性输出； （9）可编程的MSB或LSB前导； （10）可编程输出数据长度。 2、TLC2543的引脚排列及说明 TLC2543有两种封装形式：DB、DW或N封装以及FN封装，这两种封装的引脚排列如图1，引脚说明见表1。
发动机传动电机的转速控制BP+PID
目录 一、设计题目 (1) 二、系统的工作原理 (2) 三、BP神经网络 (3) 3.1BP神经网络结构 (3) 3.2BP网络学习算法 (4) 四、基于BP神经网络的PID控制器 (6) 4.1PID控制器 (6) 4.2基于BP神经网络的PID控制器 (7) 五、程序代码及结果分析 (10) 5.1程序代码 (10) 5.2仿真结果 (13) 六、结论 (15)
一、设计题目 柴油-电力机车传动电机的转速控制 柴油机有着十分广泛的用途，它可用来驱动内燃机车的传动电机，从而保证重型列车的正常运行。但是柴油机的工作效率对转速非常敏感，因此为了提高其工作效率，应该控制传动电机的转速。图中给出了柴油内燃机车的电力传动模型。 图1-1 转速控制模型 移动输入电位计的游标，可设置控制阀的位置，从而设定传动电机的预期转速w r 。负载转速w 0是受控变量，其实际值由测速机测量。测速机由电机轴上的皮带驱动，其输出电压v 0是系统的反馈变量。由于输入电位计提供了预期参考电压，由此可求得参考电压与反馈电压间的偏差为( v r - v 0 )。放大器将偏差电压放大后，生成电压信号v f ，并用作直流发电机的线圈磁场电压。 在电力传动系统中，柴油机的输出转速恒为w q ，直流发电机由柴油机驱动，其输出电压V g 是电枢控制直流电机的驱动电压。此外电枢控制直流电机的励磁磁场电流i 也保持恒定不变。在上述条件下，由于V R 的作用，直流电机将产生力矩T ，并使负载转速w 0逐渐趋近于预期转速w r 。 已知： ● 电机的反电动势系数为Kb ＝31/50； ● 与电机有关的参数为J=1，b=1，La=0.2，Ra=1； ● 发电机有关的参数为励磁电阻Rf=1，励磁电感Lf=0.1，Lg=0.1，Rg=1； 柴油机 w r v r v 0 v d 常量 放大器 i f L f R f i a L a R a 发电机 电机 测速机 负载w 0，J ，b v f V g
电机伺服控制和PID算法简介
电机伺服控制和PID 算法简介 1 电机伺服控制技术简介 所谓伺服控制，通常也就是指闭环控制，即通过反馈环节，测量被控制对象的变化，用以修正电机输出的控制技术。 对于要求不高的应用，通常采用简单的开环控制。例如，给直流有刷电机的两根引线通电，电机就会旋转；施加的电压越高，电机转速越高，力量越大。但是在很多需要精密控制的场合，仅仅这种方式还是不够的，还需要依靠一定的反馈装置，将电机的转速或位置信息反馈给微控制器或其他的机械装置，通过一定的算法变成可以调节电机控制信号的输出，从而使电机的实际转速、位置等参数与我们所希望的一致。机器人控制是一个精度要求比较高的领域，例如，基于以下的一些考虑，机器人平台需要使用闭环控制。 a) 开环控制情况下，移动机器人在爬坡时，电机速度会下降。更糟糕的是，当双轴独立驱动的移动机器人以一定的角度接近斜坡时。每一个车轮转速的下降值将会不同，结果是机器人的实际运动轨迹是沿着一条曲线而不是直线行进。 路线。 速差。 一一定的计算方法（如PID 算法）调整相应的电压供给，如此反复，直到达到给定转速。 b) 不平坦的地面会造成移动机器人的两个车轮转速之间的差异。如果转速较低的车轮的驱动电机没有得到相应的电压补给，移动机器人将偏移既定的c) 由于安装工艺、负载不完全均衡等原因，即使是完全匹配的两个电机，并在相同的输入电压条件下，他们的速度有时仍会产生不同，即转d) 如果采用的是PWM 控制，即使在PWM 信号占空比不变的条件下，随着电池电压的逐渐下降，电机供给电压也会随之降低，从而导致电机的转速与给定值不完全致。 综合以上的一些考虑，必须选择闭环控制的方式，其工作流程如下图所示：闭环系统中加上了反馈环节（通常机器人的驱动电机使用的是增量式光学编码器）。在闭环控制系统中，速度指令值通过微控制器变换到功放驱动电路，功放驱动电路再为电机提供能量。光学编码器用于测量车轮速度的实际值并将其回馈给微控制器。基于实际转速与给定转速的差值，即“偏差” ，驱动器按照 闭环控制模型示意图
PID控制器对电机速度的控制
实验PID控制器的设计 一、实验目地 1.了解和观测PID控制规律的作用，对系统动态特性和稳态特性及稳定性的影响； 2.验证调节器各参数(Kc，Ti，Td), 在调节系统中的功能和对调节质量的影响； 3.掌握用Simulink来构造控制系统模型及参数的设置； 4.掌握计算机控制仿真结果的方法。 二、实验原理 PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元、积分单元和微分单元组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 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。 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：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。 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。 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过滤器。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。
PID控制直流电机速度
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 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
电机转速PID控制
电机转速PID控制 指导老师：邓柳 吴妮妮 组员姓名：熊欢 任宏 肖水红 院校：长江职业学院工学院
摘要 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msp430F149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. 关键词：PID控制、电机转速、占空比、闭环系统。 abstract The design of the main research is PID control technology in the field of motor control application, the well-known vertical motion control system of the main control object is motor, in different production process, the motor running state to meet the production requirements, including motor speed control in the possessive vital role, so this design is the main PID control technology to dc motor speed control. The design idea as to msp430F149 slice machine as control core, produce occupies emptiescompared PID algorithm by PWM control of a dc motor speed pulse to realize the control. At the same time, a photoelectric sensor will motor speed convert pulse frequency feedback to the microcontroller, constitute a speed closed-loop control system to speed, no static the purpose of poor regulation. Keywords：PID control 、Motor speed、Occupies emptiescompared 、Closed loop system。
伺服电机速度环 位置环 扭矩环的控制原理
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环。 1、电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，电流环的输入 值和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。 2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的 前馈值，速度环输入值和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环做PID 调节（主要是比例增益和积分处理）后输出到电流环。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。速度环控制包含了速度环和电流环。 3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处 理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，位置环输入值和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分调节）后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。位置控制模式下系统进行了3个环的运算，系统运算量大，动态响应速度最慢。
编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。 三种控制模式 位置控制：通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的数量来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。 速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。 转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm 时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 PID各自对差值调节对系统的影响： 1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显着特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。