直流電動機PID轉速控制系統設計

宋曉偉 樊戰亭 田銳

摘 要：對于直流電機模擬調速的局限性，這里設計一種使用PID算法的直流電機數字調速裝置。該系統主要由液晶顯示模塊、電源模塊、功能選擇模塊、電機驅動模塊、電機測速模塊五大部分組成。以STC89C52單片機為控制核心，通過定時器產生PWM控制MX1508驅動電路來控制電機轉速。電機軸上接有碼盤，測速模塊來獲得電機的實際速度。按鍵輸入電機設定速度與當前速度進行PID算法計算來保持電機速度穩定。

關鍵詞：PID算法；STC89C52單片機；PWM；MX1508

中圖分類號：TM33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）13-0053-02

Abstract： For the limitation of DC motor analog speed regulation， a DC motor digital speed regulation device using PID algorithm is designed. The system is mainly composed of liquid crystal display module， power module， function selection module， motor driving module， and motor speed measurement module. With STC89C52 single chip microcomputer as the control core， PWM is generated by timer to control the speed of the motor by the MX1508 drive circuit. The motor shaft is connected with a code plate and the speed measurement module is used to obtain the actual speed of the motor. The key input motor setting speed and current speed are calculated by PID algorithm to keep the motor speed stable.

Keyword： PID algorithm； STC89C52 single-chip microcomputer； PWM； MX1508

引言

數字調速系統具有控制精確度高，非常穩定，受環境影響小，效率高等優點，所以在國內外的使用越來越廣泛。近年來，直流電動機的機構和控制方式都發生了很大的變化。基于數字PID控制的直流電機控制調速已成為直流電機新的調速方式。這種調速方法具有運行穩定、動態性能好、效率高、對轉速的實時顯示等優點，更重要的是這種控速方式很容易在單片機控制系統中實現，因此具有很好的發展前景。

本項目采用單片機控制下PID小功率調速，能夠為今后研究大功率直流數字調速奠定良好的基礎。

1 直流電動機PID轉速控制系統

直流電動機轉速控制系統由軟件設計和硬件電路設計兩大部分組成。軟件設計主要包括PID算法設計、lcd顯示程序設計、功能按鍵函數設計。硬件電路由驅動模塊、測速模塊、顯示模塊、電源模塊、功能選擇模塊等構成。

2 軟件設計

2.1 PID算法設計

按偏差的比例、積分、微分進行控制的調節器簡稱為PID調節器。它結構簡單，參數易于調整，采用單片機系統來實現PID控制時，其軟件系統靈活易修改完善的優點得以發揮，所以，PID數字控制器得到越來越廣泛的應用。

圖1為直流電動機PID控制，給定速度n0（t）與實際轉速進行比較n（t），其差值e（t）=n0（t）-n（t），經過PID控制器調整后輸出電壓控制信號u（t），u（t）經過功率放大后，驅動直流電動機改變其轉速。

2.1.1 比例控制

比例控制能迅速反應誤差，從而減少穩態誤差，控制作用的強弱取決于比例系數KP。

2.1.2 積分控制

積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣即使誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增大。積分控制能消除系統的穩態誤差，提高控制系統的控制精度。

2.1.3 微分控制

微分控制可以改善動態特性，超調量減少，調節時間縮短，允許加大比例控制，使穩態誤差減小，提高控制精度。

微分控制的作用是阻止偏差的變化，它是根據偏差的變化趨勢進行控制，偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差變大之前進行修正，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統趨于穩定。

2.2 位置式PID和增量式PID

2.2.1 位置式PID算法

指在積分環節對從0時刻到當前時刻的所有偏差進行積分，是非遞推式的全局變量。由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態有關，計算時要對第K次采樣時刻輸入的偏差值進行累加，工作量大。

2.2.2 增量式PID算法

通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進行PID控制的一種控制算法。

由于位置式PID算法容易產生積累誤差，而且對計算量要求高，所以增量式PID控制算法得到廣泛的應用。本系統中采用增量式PID算法，增量式PID表達式為：

3 硬件電路設計

3.1 電機驅動電路

本設計中電機驅動電路采用了MX1508四通道雙路有刷直流電動機驅動ic，該ic內部集成雙通道N溝道和p溝道低導通低內阻的功率mos設計的H橋驅動電路，通過對角線導通mos管來控制電動機正反轉。

3.2 電機測速電路

本設計中電機測速裝置采用光電式測速傳感器，電機的一端裝有碼盤，發射管一直處于工作狀態。當碼盤上的柵格對準接收管時而導通，此時輸出低電平，當柵格沒有對準接收管時而截止，此時輸出為高電平。由于碼盤上面的柵格為30格，故電機旋轉一圈光敏晶體管輸出30個脈沖。

3.3 功能選擇模塊

功能選擇模塊其實就是獨立鍵盤，雖然占用接口多，但程序簡單。本設計中按鍵由上到下依次是設定加、設定減、電機轉向、PID值設定、啟動停止功能鍵。

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用了LCD1602液晶屏來顯示，該顯示模塊由數據端口和控制端口兩大部分組成。單片機將要顯示的數據發送到數據端口，控制端口決定發送來的數據顯示的位置和順序。字符的顯示由這兩部分共同控制來實時顯示。

3.5 電源模塊

電源模塊主要由開關電源模塊、鋰電池充電模塊、鋰電池升壓模塊、18650鋰電池等組成。開關電源模塊將220v的交流電穩壓到5v直流電壓；鋰電池充電模塊將5v電壓改變為4.2v電壓來對鋰電池充電；鋰電池升壓模塊將3.7v電壓升到5v電壓。最終的5v電源將為單片機，lcd1602、電動機、驅動模塊、測速模塊等供電。

采用此種設計的優點是，采用獨立電池和開關電源二級電源供電，大大提高了系統的可靠性。

4 結束語

本文設計了一種基于STC89C52單片機的直流電動機PID轉速控制系統。經過原理圖設計、洞洞板焊接、硬件測試、軟件編寫、PID參數整定、通過反復測試，具有穩態誤差小，控制精度高，響應速度快等優點，滿足預期要求。

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