基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统

基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统（共4篇）

1.基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 篇一

使用到的是双极式的控制模式,本部分将根据所选择的直流型电动机,设计出与之对应的直流型脉宽调速的系统硬件设备平台。

1.1 主电路硬件结构框图

主回路主要包含了功率模块、滤波的大电容、软启动的电阻、三相桥式型非控整流型电路和/Y联交流型互感器等各个内容组成。在其输入后的3相交流的电在通过2极管的整流电路的整流之后再通过电容对其实现滤波,得到较为稳定的直流型电压,再借助逆变器来进行IGBT通断的控制,从而不断的输出具有交变性电压的脉冲序列。

1.2 传感器的选择

增量式光的电编码器输出的信号的波形如下波形图所示。它有着下列几点优势:结构和原理十分简易,比较容易实现。机械结构的寿命均值较久,可以实现几万个工作小时以上;分辨率较高;有着较强的抗干扰能力,信号有较大的传输距,有着较大的可靠性。因为MC9S12XS128里面有着和其进行配套的硬件电路,能够自动的实施分辨,因此使用了欧姆龙光电编码器。

在本次设计里面,使用了LEM公司制造的磁平衡式的电流的传感器,也即是在原副边的补偿电流催生的磁场于磁芯里面实现平衡的时候,具有着下列的公式:N×IN=n×IM;使用LEM研发的LEM-20A的电流型器。

2 直流调速数字控制器的选择

2.1 MC9S12XS128MMA单片机的介绍

本次设计所用到的MC9S12XS128是16位的单片机结构。其里面包含了3个封装,是112、80和64封装。整个单片机系列都包含了十分复杂的输入和输出的端口,集成了多元化的功能模块。端口有11个,能够接入很多外设的设备。

2.2 MC9S12XS128内置脉宽调制模块概述

这一单片机系列所激发的PWM信号的方式包含了下面2个:使用MCU内置的PWM模块和输出的比较功能促进其最后的实现。使用输出的比较功能能够借助软件编程来对任何的脉冲信号实施设定,但是能够占用到较多的CPU的资源,并且不容易催生较为准确的脉冲的序列;而在MCU内所集成的PWM模块专业的用在对PWM信号的输出上,在使用的时候较少对CPU资源进行占用。

2.3 人机界面接口电路设计

本设计里面使用了液晶显示器是LQ12864型的。其有着四位和八位并行的、两线或者三线串行口多样的接口模式,其中包含了GB一级、二级的简体汉语文字库的现实模式;它的分辨率是128*64,里面有着8192个16乘以16点汉字,实现清晰的汉字和图片显示。它的基本特点如下:

(1)低电源的电压范围;

(2)显示分辨率为128*64;

(3)内置汉字字库,有繁体和简体的选择;

(4)显示方式:有三种显示形式;

(5)驱动方式:1/5BIAS,1/32DUTY这两种驱动模式;

(6)背光方式:高亮白LED背光。

3 闭环直流调速系统的软件设计

3.1 软件设计的基本要求

电机控制的快速性要求较高,这边需要它的软件部门要能够实时的进行反映和控制。具体内容是要求了在一定阶段内,微机实现各种软件处理工作。比如一些反馈信号的判断、分析和计算,如果超出了时间范围,便没有价值了。

可靠性是软件避免可能问题发生的能力大小,以及其一旦出现问题的恢复能力。所以,为了提升系统软件的可靠特征,在进行软件的设计的时候,需要将电机运行中可能性的问题包含在内。及时的采取对策,防范后期运行风险。

3.2 软件结构流程图

3.2.1 主程序

主程序来实现时效性不高的功能,在实施其初始化之后,进行键盘处理,显示刷新以及和外界通信交互的功能。

3.2.2 初始化子程序

这一程序的主要工作是实现对系统运行的变量、参数和工作方式来实施初始化和设定的过程。

3.2.3 捕捉中断服务子程序框图

测速软件包含了测速时间里面的服务型子程序以及对中断实施捕捉的服务型子程序。具体如下图所示。在本文里面,将Tsampn的数值取作10ms,而且测速时间Tc与其共用一个定时器。故有Tsampn=Tc=10ms,f0=5MHZ,Z=4*1000(4倍频),则在Tc内至少保证:M1≥1。则

摘要：论文对主电路和控制电路的各个模块的功能和电路进行了研究,提出了基于高性能单片机C8051F005和智能功率模块(IPM)的全数字直流脉宽调速系统的硬件设计。而且在软件设计方面,对主程序、PWM控制信号的产生、A/D转换等环节进行了分析,给出相应的流程图。同时建立了基于Matlab/Simulink的直流脉宽调速系统的仿真平台。

关键词：全数字化控制,C8051F005单片机,双闭环,PWM直流调速

参考文献

[1]蔡霞.基于PLC的PWM直流调速控制系统[J].实验室研究与探索,2012(01):201-203.

[2]杨学存,杨战社,孔令红.基于ARM的嵌入式直流电机PWM调速系统设计[J].煤矿机械,2012(04):255-257.

2.基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 篇二

1. 控制其电路设计思路

在控制器的设计中先要保证电路的同步性, 及检测三相电流的位置来对电流进行检测, 获得定时定相的同步信号, 利用三相同步的控方式来降低电流在频率改变时对触发器的直接冲击。常用的三相同步电路主要是电流耦合与变压耦合两种。如利用光合电耦合则可以在系统中不出现变压器, 同时可以切断单片机与交流电之间的关联性, 但是其光电耦合的线性不易控制, 在出现过零点的时候造成异常, 从而导致电源本有的正负极周期发生不同程度的改变, 这样就会导致信号采集与控制的失真, 进而无法控制。所以在设计同步电路的时候可利用同步变压器产生的同步电压信号, 经过适当的滤波处理, 作为同步信号的基础。一方面, 滤波装置可以消除电网中出现的畸变和干扰对零位所产的负面影响;一方面则是实现对相位的移动, 以此解决同步点不易识别的问题。此时正弦信号的过零点没有明确的边界, 所以才有元件对其进行加强并形成方波, 这样就可被识别;在信息得到处理后波形的上升或者下降都会与零点对应, 然后经过单边稳定电路就可以作为定时与定相的脉冲信号。

2. 寄存器设计

寄存器的作用是对于分段触发而采用的, 因为在同步电路中以六十度为间隔设计了同步脉冲信号, 所以在对移相进行控制的时候, 角度的划分为三段, 同时实施了区别相。在实施中为了可以满足单片机的需求, 系统中必须达到精确的六十度角触发, 所在设计中必须有一个寄存器满足这个需求。其将触发字、定时常数、补充触发器结合起来, 结构基本相同, 都是利用送出位。基本结构如图1。

前端、中段、末端构成, 在不同的段设置不同的常数以满足控制需求。寄存器在利用中断来控制信号位移, 每一次经过一个中断每个段落都会按照一定的顺序迁移这样就可与控制信号相互配合, 对于控制角大于60°而小于180°之间的延时如果大于60°, 其部分不会占用处理器, 其在寄存器右移的过程中利用中断的间隔来实现延时。

3. 触发字表的设计

在设计中采用的是60°的触发分段, 同时因为引入了寄存器的帮助, 在系统中可以将晶闸管的触发过程进行简化, 检索的过程将更加简单。常用的三段式的触发字表最终可以获得简化, 成为一个简单的基本触发字表, 其中在变量中会形成一定的内在联系, 将变量与控制角进一步联系起来, 其公式如下。

4. 脉冲遗漏的控制

在分段的触发控制中, 如果在控制角度大于60°进而改变进入到小于60°, 或者大于120°变为小于120°的时候, 这样就会出现脉冲遗漏的情况, 此时触发器就会在控制中出现问题, 遗漏会导致电压运行的不对称, 使得电机的常态工况发生改变, 出现性能波动, 如果过载则会造成电机效率下降, 甚至出现震动和噪声异常, 失去了调速控制的意义。所以在设计中必须对此进行克服, 系统设计是增加了一个控制程序以此弥补脉冲遗漏的情况, 一旦出现控制角的改变超过范围, 这时就会立刻将被冲掉的触发字进行补充, 然后将其储存到寄存器中, 在发下触发下一个脉冲信号之前将遗漏的脉冲补充并发出。在这样的处理后就可以满足多段跳转时出现的脉冲遗漏, 从而保证控制平稳。

5. 调节算法的改进

在设计中为了获得相对理想化的调适效果, 可以讲常数的调节与防治死区的算法结合起来构成控制模式, 在控制的过程中, 如果一个死区中存在可调参数, 其常数可以为A, 如果A值的升高过大则速度上升异常, 其产生的波动也就大;反之者波动情况小, 但是速度提高慢。在设计中建议采用较小的常数值, 目的就是在控制中保持一个相对稳定的控制范围, 异常保证控制的相对稳定。这样调节效果性对好且简单。

二、控制程序的编制

系统控制必须依靠软件与硬件的结合, 装置软件的设计是一种模块化的方式, 整程序被分为多个功能区块, 独立于其他工作模型。在主程序设置中, 其在系统上先进行电复位然后再执行, 完成系统的初始化、自检, 然后进入到菜单功能实现人机对话。其中菜单式按键的控制功能对于按键扫描进行优化与改进, 适应不同的系统需求。在执行中, 中断服务程序是整个软件的核心, 因为电源过零点是周期性的作用, 在完成一个电源状态识别的时候就会对电机的基本参数进行识别, 触发字码等多个控制参数的改变, 此时计算机会进行分析, 以判断是否进行脉冲信号的补充等功能, 其核心是里滞后调节的方式进行, 每次中断都会在实施上一次的触发方案, 并在制定下一次脉冲控制方式, 以保证控制的实时性。因因为硬件控制上的简单化, 所以大部分的控制工作都是在服务程序中进行, 其负担相对大, 同时相邻的激活时间很短, 所以这个程序在设计时必须保证效率。同时在中断服务中还应保证触发字码的完整与快速送出, 同时也应保证实施快捷而简单。

三、结束语

在调速控制中控制器的核心思路就是利用电流的特征来对电机进行速度控制, 而在实现过程中必须将建立一个根本性指标, 从而确定其他元件的选择与工作模式。然后利用软件与之控制模式相配合, 这样才能保证控制器的运行稳定。

摘要：随着现代化建设的发展, 自动化系统中的风机、泵类消耗电能的比例越来越高, 其中因为改变符合而造成的能源消耗就占有近六成的比例。可见电机在速度控制上所消耗的能源是十分巨大的, 如果可以在系统调解中利用控制器来帮助电机进行速度改变, 从而利用速度改变来控制系统的工况则可以取代挡板、阀门等来控制系统, 进而提高系统的效率降低能耗。本文就将对此方面的系统设计进行介绍。

关键词：控制思路,硬件选择,控制模式,软件编辑

参考文献

[1]林雁.浅析交流异步电动机的调速原理与方法[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2011 (, 04)

[2]陆地, 李翔, 朱磊, 刘晨.交流调速系统的最优控制[J].矿山机械, 2010, (18)

3.基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 篇三

PID是最经典的闭环控制算法,随着微控制器和计算机控制技术的发展,控制算法在微控制器中实现比模拟PID更灵活、稳定[4]。于是产生了一系列的改进PID算法,如积分分离PID、变速积分PID及带死区的PID等。针对直流电机调速系统的控制目标,提出积分分离和变参数PID相结合的算法,实现电机对给定转速的快速稳定跟踪,实现稳态无静差。

1 调速原理1

直流电机转速与电机其他参数的关系如下[5]:

式中I———电枢电流,A;

ke———电机结构决定的电动势常数;

n———转速,r/min;

R———电枢回路总电阻,Ω;

U———电枢电压,V;

φ———励磁磁通,Wb。

由此可知有3种方法可以改变直流电机的转速,即改变U、φ、R,分别称为调压调速、改变磁通调速、改变电枢回路电阻调速。对于需要无级平滑调速的系统来说,常用调压调速。PWM调速是调压调速的一种[6],即将PWM脉冲直接加在电枢的两端,通过调节脉冲的宽度来实现调压。

2 硬件设计

系统硬件由5部分组成:STM32最小系统作为主控单元、L298N和外围电路组成驱动模块、12V直流电机作为控制对象、起到速度反馈作用的霍尔码盘传感器、观察转速变化的上位机。系统的硬件组成框图如图1所示。

STM32是基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器,具有价格便宜、功耗低及性能优越等优点。内部还集成了高级定时器,可生成互补含有死区的PWM脉冲,特别适合电力电子变换和电机控制。STM32最小系统由电源电路、时钟电路、复位电路和程序下载电路组成。由于STM32输出PWM为3.3V电平,难以驱动12V直流电机,采用电机驱动芯片L298N来提高驱动能力。L298N内部内含两个H桥,是高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动两个直流电机或步进电机[7,8]。因为L298N为5V逻辑电平,并且工作时功率电路和控制电路需要隔离,所以需要加一些必要的外围电路,如光耦隔离、电平转换等,L298N电路如图2所示,图中XPWM7连接STM32的PWM输出引脚,实现对电机M1的驱动。

为了实现闭环控制必须将速度信号反馈回控制器,选用霍尔码盘传感器将速度信号以方波脉冲的形式反馈回控制器,STM32的捕获单元可以捕获这些脉冲的频率,从而根据脉冲频率与转速的关系计算出转速值。

3 软件设计

PID是一种线性控制算法,它是基于偏差的控制,将偏差e(t)的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量u(t),对控制对象进行控制,PID的控制规律为:

计算机控制是一种采样控制系统,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,所以连续PID控制算法不能直接在微控制器中使用,需要采用离散化方法,常用的为增量PID,控制规律如下:

如果计算机控制系统采用恒定的采样周期,只要使用前后3次测量的偏差值,就可以由求出控制量。

PID控制中积分部分主要起到消除稳态误差的作用,在系统刚刚启动或者大范围改变给定时系统偏差往往很大,积分作用会产生积累,这时控制量达到最大或者最小的极限输出即饱和值,系统响应的超调量很大甚至振荡,因此积分分离PID应运而生。积分分离PID是在经典PID基础上改进实现的,即当偏差大于设定值ε时使用PD控制,偏差小于ε时使用PID控制。这样可以充分发挥比例环节提高系统响应的作用,从而快速减少偏差。当偏差进入很小的范围时再引入积分作用,消除稳态误差,提高控制精度。执行积分分离PID算法时,比例环节的选择尤为重要,比例系数太小系统无法进入积分区,太大则使系统有很大的超调甚至使系统不稳定。并且工程上常常在引入积分作用后改变比例系数使它变小,这样系统会更加稳定,这也就是变参数PID的思想。积分分离PID的算法公式如下:

其中,β为是否引入积分作用的标志:

算法程序框图如图3所示。

为了更加直观地体现转速的变化和控制效果,将转速值通过串口发送到PC机中,使用图形化编程环境Lab VIEW编写上位机显示软件[9],显示界面如图4所示。

STM32系列微控制器的开发环境很多,常用的是MDK。Keil公司开发的ARM开发工具MDK,是用来开发基于ARM核的系列微控制器的嵌入式应用程序,可根据程序流程图在MDK中完成对控制算法的编写。

4 实验研究

结合以上对硬件设计和软件设计的描述,完成基于STM32的直流电机PWM调速系统设计。

电机转速从零到给定转速的启动过程类似一个阶跃响应。由自控原理可知,一个系统的性能可以通过单位阶跃响应的特征来定义,所以通过系统对给定转速的响应过程来分析调速系统的性能,图5为系统应用普通PID算法的电机启动过程,给定转速为6 000r/min。应用积分分离PID和变参数PID结合的改进PID算法电机启动过程如图6所示,给定转速也为6 000r/min。分析可知,采用传统PID算法系统虽然没有超调但响应慢;采用改进的PID算法时,系统的响应速度有显著提高,很快达到给定转速,稳态无静差。

对于电机调速系统来说,除了启动性能外,系统对给定转速的跟踪情况和抵抗负载扰动的能力也是衡量调速系统性能的重要指标。采用改进PID算法,给定转速由5 000r/min降到4 000r/min时的系统响应如图7所示,系统快速达到给定转速,且运行稳定。

图8为施加负载扰动后系统的响应情况,从图中可以看到当受到负载扰动后系统转速下降,在控制算法的作用下,系统快速恢复给定转速,有效地抵抗了负载的扰动。

5 结束语

通过软硬件设计,实现了基于STM32的直流电机PWM调速系统设计。实验表明:积分分离PID算法和变参数PID结合的算法与经典PID算法相比,直流电机转速控制效果得到了很大的改善。系统有优良的启动性能,实现输出转速对给定转速的快速稳定跟踪,有效抑制外界扰动,系统运行稳定可靠。为直流电机速度控制系统的实现提供了一种新的解决方案。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007:1~2.

[2]汤蕴璆.电机学[M].北京:机械工业出版社,2014:94~95.

[3]何忠悦,周小红.基于PID算法的直流电机PWM调速控制器设计[J].计算机光盘软件与应用,2011,(20):80~86.

[4]杨晓岚.PID算法在智能车中的应用[J].实验科学与技术,2010,(4):187~189.

[5]杨晨阳,王舒憬,王刚.基于ARM的直流电机控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2013,(1):57~59.

[6]赵庆松,苏敏.基于ARM的直流电机调速系统的设计与实现[J].微计算机信息,2007,23(2):173~175.

[7]马瑞卿,刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术,2000,34(1):31~33.

[8]张明,章国宝.IR2110驱动电路的优化设计[J].电子设计工程,2009,17(12):66~70.

4.基于单片机的数字PID控制直流电机PWM调压调速器系统 篇四

(一) 直流电机调速原理

根据励磁方式不同, 直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说, 人为机械特性方程式为:

△式中, UN、φN——额定电枢电压、额定磁通量;

Ke、Kt——与电机有关的常数;

Rad、Ra——电枢外加电阻、电枢内电阻;

n0、△n——理想空载转速、转速降。

分析 (1) 式可得.当分别改变UN、φN和Rad时, 可以得到不同的转速n, 从而实现对速度的调节。由于φ=F (If) , 当改变励磁电流If时, 可以改变磁通量φ的大小, 从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制, 电动机的励磁电流If和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节, 故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时, 会使机械特性变软, 导致电机带负载能力减弱。

对于他励直流电机来说, 当改变电枢电压UN时, 分析人为机械特性方程式, 得到人为特性曲线如图1所示。理想空载转速N0随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行, 说明硬度不随电枢电压的变化而改变, 电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时, 可实现电机的无级调速。

基于以上特性, 改变电枢电压, 实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现, 如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。

(二) PWM基本原理及其实现方法

1.PWM基本原理

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率, 从而改变负载两端的电压, 进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面, 如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM驱动控制的调整系统中, 按一个固定的频率来接通和断开电源, 并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小, 从而控制电动机的转速。因此, PWM又被称为“开关驱动装置”。

如图2所示, 在脉冲作用下, 当电机通电时, 速度增加;电机断电时, 速度逐渐减少。只要按一定规律, 改变通、断电的时间, 即可让电机转速得到控制。

设电机始终接通电源时, 电机转速最大为Vmax, 设占空比为D=t1/T, 则电机的平均速度为

式中, Vd——电机的平均速度;

Vmax———电机全通电时的速度 (最大) ;

D=t1/T——占空比。

由公式 (2) 可见, 当我们改变占空比D:t1/T时, 就可以得到不同的电机平均速度, 从而达到调速的目的。严格地讲, 平均速度与占空比D并不是严格的线性关系, 在一般的应用中, 可以将其近似地看成线性关系。

2.实现方法

PWM信号的产生通常有两种方法:一种是软件的方法;另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍, 这里不做赘述。本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。R8C/2A系列单片机有多个定时器, 我们利用其中的TIMERA和TIMERF两个定时器配合, 通过控制TIMERF的输出比较功能, 可以实现从单片机的相对应的输出口输出不同占空比的脉冲波形。下面我们根据瑞撒单片机R8C/2A系列的特点来介绍用比较输出方法实现直流电机的调速方法:

对一般直流电机而言, 为了应用控制的方便, 直流电机都有相应的反馈信号, 设电机每转一圈反馈的信号为a, 定时器A中断时间为T1US, 反馈信号接收用外中断用单片机INT0中断, 这样我们可以通过计算每两个周期的所用的时间T2来计算电机的转速, 再根据当前转速与目标转速的差来调整占空比以达到调节转速的目的。

式 (3) 中,

Nnow——直流电机当前转速

T1——定时器中断的时间

T2——两个周期所需要的时间, 及检测到2A个反馈信号。

3.控制程序设计

(1) 定时器A初试化, 用定时器A产生250US的中断

(2) 定时器F初试化, 用定时器F比较输出功能

(3) 外中断1初试化, 上升下降沿均允许中断

(4) 设置比较输出口的输出状态

根据前面的公式 (3) 及当前的初始化设定可以得出当前的转速为

设定目标转速为Nobj, 通过单片机程序可以计算获得Nnow, 再根据Nobj与Nnow的差值通过PID调节方法计算出当前给定变量, 赋值给TRFM0, 达到调节占空比的目的, 并实现目标转速。

(三) 结束语

通过在家用空调直流电机的控制, 转速误差精度在5转以内, 较好的实现了电机的控制要求, 所以这种通过单片机输出PWM来实现电机调速的方法, 具有更大的灵活性和更低的成本, 能够充分发挥单片机的效能, 对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

摘要：介绍了基于瑞撒瑞萨R8C/2A单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法, 直流电机调速的相关知识以及PWM调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于瑞撒R8C/2A系列微处理器用软件产生PWM信号的途径, 并介绍了一种通过比较输出控制的方法实现PWM输出信号调节占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种非常有效而且比较准确的方法。

关键词：瑞萨单片机,PWM,输出比较,直流电机调速

参考文献

[1]丁道宏.电力电子技术[M].航空工业出版社, 1992.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社, 1992.