基于串口通信的直流電機PID調速系統設計

曾偉欽，徐東升，冉志勇

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621000）

“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽以最短時間跑完賽道為目標，盡可能地使車模達到“穩、快、準”的要求，這不僅要求車模有靈敏、準確的傳感器系統 ，同時直流電機調速系統的設計也顯得至關重要。基于串口通信的直流電機PID調速系統采用PID控制器閉環反饋控制，通過改變PWM信號達到調速控制目的，同時采用串口與上位機進行通信使得PID參數調整方便。該系統結構簡單，控制準確，穩定性高。經過不斷調試和優化，該設計系統能夠使智能車行駛速度和穩定性得到顯著提高。

1 系統整體硬件設計

系統整體硬件設計如圖1所示，主要由MCU模塊、電源模塊、車速檢測模塊、上位機、OLED顯示模塊、按鍵輸入模塊、PWM信號輸出等模塊組成。

圖1 系統整體硬件設計圖Fig.1 Whole system hardware design

1.1 MCU微控制器模塊

微控制器選用飛思卡爾半導體公司Kinetis產品中的K60系列，具有器件充電檢測、硬件加密和篡改加密和篡改檢測功能。器件帶有豐富的模擬、通信、定時和控制外圍設備，涵蓋包括從256 kB閃存100引腳LQFP封裝到1 MB閃存256引腳MAPBGA封裝都有，高閃存密度K60系列器件包括可選單精度浮點單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。

1.2 電源模塊

電源穩定工作是系統穩定運行的基礎，本系統采用7.2 V Ni—cd蓄電池經過穩壓之后分別給各個模塊供電。其中3.3 V供MCU、串口、OLED顯示屏工作，5 V供光電編碼器工作。電源系統如圖2所示。

圖2 電源系統Fig.2 Power supply system

1.3 車速檢測模塊

在智能汽車設計中，測速傳感器的設計主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。本系統采用光電式脈沖編碼器可將機械位移、轉角或速度變化轉換成電脈沖輸出，是精密數控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點是非接觸式，此外還具有精度高、響應快、可靠性高等特點。通過光電編碼器采集脈沖，將采集到的脈沖數送進PID控制器進行閉環反饋控制。

1.4 OLED顯示屏

有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。通過顯示按鍵輸入的數值，使得調試更加方便。

1.5 PWM調速模塊

隨著科技的發展，PWM調速成為電機調速的新方式，并憑借它的開關頻率高、低速運行穩定、動態性能優良、效率高等有點，在電機調速中被普遍運用。本系統通過MCU的PWM模塊產生10 kHz的PWM信號，采用PID閉環反饋控制計算出PWM的占空比，進而控制直流電機的轉速。

2 PID控制器

工程實際中，應用最為廣泛調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制主要技術之一。當被控對象結構和參數不能完全掌握，或不到精確數學模型時，控制理論其它技術難以采用時，系統控制器結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象﹐或不能有效測量手段來獲系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是系統誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。

2.1 比例（P）控制

比例控制是一種最簡單控制方式。其控制器輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存穩態誤差（Steady-state?error）。

2.2 積分（I）控制

積分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號積分成正比關系。對一個自動控制系統，進入穩態后存在穩態誤差，則這個控制系統為有差系統。為了消除穩態誤差，控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間積分，時間增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會時間增加而加大，它推動控制器輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。比例+積分（PI）控制器，可以使系統進入穩態后無穩態誤差。

2.3 微分（D）控制

微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號微分（即誤差變化率）成正比關系。自動控制系統克服誤差調節過程中可能會出現振蕩失穩。其原因是存有較大慣性組件（環節）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差作用，其變化總是落后于誤差變化。解決辦法是使抑制誤差作用變化“超前”，即誤差接近零時，抑制誤差作用就應該是零。這就是說，控制器中僅引入“比例”項往往是不夠，比例項作用僅是放大誤差幅值，而目前需要增加是“微分項”，它能預測誤差變化趨勢，這樣，具有比例+微分控制器，就能夠提前使抑制誤差控制作用等于零，為負值，避免了被控量嚴重超調。對有較大慣性或滯后被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統調節過程中動態特性。

2.4 模擬型和數字型PID控制器

模擬PID控制器的原理如圖3所示，其中r（t）為系統給定值，c（t）為實際輸出，u（t）為控制量。 如圖 3 所示，模擬 PID控制器的數學表達式為：

圖3 PID控制器的原理Fig.3 Principle of PID controller

其中：e（t）為系統偏差量，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為積分時間常數，式1也可以整理變形為：

其中：Kp為比例系數，Ki為積分系數 Ki=Kp/Ti，Kd為微分系數 Kd=KpTd。

計算機控制是一種離散的采樣控制，在計算機控制系統中所使用的是數字PID控制器，而式（1）和式（2）均為模擬PID控制器的控制表達式。通過將模擬PID表達式中的積分、微分運算數值計算方法來逼近，便可實現數字PID控制，只要采樣周期T取值足夠小，這樣逼近就可以相當精確。將積分項用矩形和代替，微分項用差分代替，使模擬PID離散化為差分方程，可作如下近似：

其中：T為采樣周期，K為采樣序號，使用這種近似方法，就可以得到數字PID位子型控制算法和數字PID增量型控制算法。

2.5 PID控制器參數整定

PID控制器參數整定是控制系統設計核心內容。它是被控過程特性確定PID控制器比例系數、積分時間和微分時間大小。PID控制器參數整定方法很多，概括起來有兩大類：1）理論計算整定法。它主依據系統數學模型，理論計算確定控制器參數。這種方法所到計算數據未必可以直接用，還必須工程實際進行調整和修改。2）工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接控制系統試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點，其共同點都是試驗，然后工程經驗公式對控制器參數進行整定。但采用哪一種方法所到控制器參數，都需要實際運行中進行最后調整與完善，現一般采用是臨界比例法。

3 系統軟件設計

系統啟動后，單片機進行初始化設置，包括端口初始化、OLED顯示屏初始化、PWM初始化、定時器/中斷初始化等。單片機檢測按鍵狀態，調用按鍵子函數，讀取鍵值，將鍵值顯示在OLED顯示屏上。另一方面，鍵值傳送到PID控制器作為其參數，通過車速檢測模塊采集脈沖作為反饋量，軟件給定值作為輸入量。PID控制器經過整定計算之后，將改變PWM占空比，從而實現直流電機的速度調節控制，系統程序流程圖如圖4所示。

4 系統調試與分析

圖4 系統程序流程圖Fig.4 System program flow chart

調試中系統由計算機控制單片機，PC機作為上位機，單片機作為下位機。通過串口與上位機進行通信，將直流電機速度傳送到上位機，并用圖形顯示，直觀的顯示直流電機速度變化響應曲線，便于調試與分析。通過分析上位機顯示的直流電機速度變化響應曲線圖，如圖5所示，圖中上升部分為通過上位機給單片機發送一定的數值，直流電機速度達到這一數值的動態響應情況，穩定部分為直流電機速度恒定保持這一數值，下降部分為通過上位機給單片機發送數值0，直流電機停車過程所發生的動態響應情況。從整個響應曲線圖可以得出，該系統控制直流電機調速響應時間短、控制準確，能達到系統要求。

圖5 上位機測試界面圖Fig.5 PC testing interface diagram

5 結 論

通過運用PWM技術和PID控制器對直流電機進行速速控制，提高了系統穩定性，調速精確，響應時間更短。用OLED顯示屏和串口與上位機進行通信，顯示系統的一些參數，使得調試更為方便、人性化。經過測試表明，該系統可以被推廣使用，能滿足一般直流電機的速度控制要求。

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