基于PID算法的直流电机转速控制系统的设计

摘 要：提出了基于单片机的高精度直流电机控制转速的控制方案，以ATmega16单片机为核心，采用传感器与CPU定时/计数器配合来测速，采用键盘进行数据输入，通过编程实现了电机转速超限、报警等功能。该装置可以应用于要求转速精确的电器产品中，使直流电机的各种潜在能力得到充分的发挥。

关键词：PID算法 转速测量 直流电机转速控制 单片机

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0108-02

与其它类型的电机相比，直流电机具有良好的起动性能，调速范围广，过载能力强等特点，因此直流电机在起动和调速要求较高的生产机械得到了广泛的应用。随着人民生活水平的提高，对视听设备品质要求也在提高，这为小功率直流电机提供了广阔的市场，因此，高精度控制直流电机转速成为发展的必然趋势。本文基于PID算法，以ATmega16单片机为核心实现直流电机的高精度控制，具有结构简单，适应性强等特点。

1 总体设计方案

系统的总体设计方案如图1所示，包括ATmega16单片机、从单片机、电机转速测量装置、直流电机、键盘输入、显示以及功能控制电路几部分。以ATmega16单片机为核心，利用ATmega16具有PWM输出功能控制电动机转速，通过在PID运算过程中不断改变控制参数，从而不断调整被控参数，完成实时控制任务。

2 硬件设计

2.1 主机设计

主机部分电路由ATmega16单片机、复位电路、电源电路和下载接头组成。在单片机引脚RESET上保持两个周期低电平实现单片机的完全复位。采用PB3口作为PWM输出口，PB0口作为T/C0的输入捕捉引脚，接受从测速电路反馈回来的信号。PC1-PC3和PD2作为按键输入，PC4-PC7作为数码管的位选，PA口作为数码管的段选，具体电路如图2所示。

2.2 电机驱动电路

由于ATmega16具有PWM输出功能，所以通过改变占空比就可以控制电动机的转速。使用光耦Uyyy实现单片机与电机的控制部分和电机驱动部分的电气隔离。Rggo作为光耦输入端的限流电阻。Rirf3是上拉电阻，用来提高光耦输出端的驱动能力。电机上的二极管和电容用来保护电机。MOS管IRF540作为驱动电路的功率输出。

具体电路如图3所示。

2.3 电源电路

选用7805三端集成稳压器，提供+5V直流电压，输出电流为1A。交流电压经过DAC1-DAC4桥式整流、电源指示灯及平滑电容Cyl滤波后得到非稳定8-12V直流电压加到7805的输入端。在输入和输出分别接人电容Cy3和Cy4来保证电路的稳定工作。

Cy3为输入稳定电容，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生振荡，采用0.1-1uF的陶瓷电容。Cy4为输出稳定电容，用来降低输出纹波、输出噪声及负载电流变化的影响。采用Cy1和Cy2两个大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。电源电路如图4所示。

2.4 测速电路

本设计中，采用光电式传感器和红外对管。小电机转子上安装八孔光栅，随着电机转动而转动，红外发光管DHW一直处于发光状态，电机转一次，转盘就挡住发光二极管一下，输出电平经过三极管Qjs放大，发生一次跳变，单片机计数一次，转盘转一圈则计数八次。

转速测量的电路图如图5所示。

3 软件设计

系统的软件设计分为主程序模块、按键识别模块、PID控制算法模块和中断子程序模块。主程序模块为其余几个模块构建整体框架和初始化工作；电机控制模块通过PWM来对直流电机进行调速，实现在线检测速度的功能。PID控制算法模块是通过定时器每隔T秒中断一次，完成一次PID控制计算，从而不断调整被控参数，完成实时控制任务。主程序模块的流程图如图6所示。

3.1 PID控制算法模块

PID参数整定通常包括试凑法，扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。采用扩充响应曲线法确定本系统的，，。通过ATmega16的PB.0端口捕捉光电管上升沿脉冲，在ATmega16内部算出电动机转速，并同时将速度显示出来。PID运算过程中所有参数和计算值均以多字节浮点数表示，在控制过程中不断改变控制参数。系统运行中通过定时器每间隔T秒中断一次，完成一次 PID控制计算，从而不断调整被控参数，主程序中的PWM驱动模块根据控制参数而改变PB3口输出值，调整PWM输出波形，完成实时控制任务。其程序流程图如图7所示。

4 结语

PID控制在工业控制中起着非常重要的作用。本设计完成了基于PID控制算法的直流调速的系统的研究与设计，包括系统的硬件开发和软件，具有精度高，结构简单，适应性强等特点。

参考文献

[1] 赵长德.MCS-51/98单片机原理与应用[M].北京：机械工业出社，1998.

[2] 李全虎，伸兆楠，李彦丽.基于单片机的水浴温度控制系统的设计[M].呼和浩特：内蒙古大学学报（自然科学版），2003（6）.

[3] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002，5：114～115.