直流电动机PID转速控制系统设计

宋晓伟 樊战亭 田锐

摘 要：对于直流电机模拟调速的局限性，这里设计一种使用PID算法的直流电机数字调速装置。该系统主要由液晶显示模块、电源模块、功能选择模块、电机驱动模块、电机测速模块五大部分组成。以STC89C52单片机为控制核心，通过定时器产生PWM控制MX1508驱动电路来控制电机转速。电机轴上接有码盘，测速模块来获得电机的实际速度。按键输入电机设定速度与当前速度进行PID算法计算来保持电机速度稳定。

关键词：PID算法；STC89C52单片机；PWM；MX1508

中图分类号：TM33 文献标志码：A 文章编号：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

數字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。基于数字PID控制的直流电机控制调速已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有运行稳定、动态性能好、效率高、对转速的实时显示等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。

本项目采用单片机控制下PID小功率调速，能够为今后研究大功率直流数字调速奠定良好的基础。

1 直流电动机PID转速控制系统

直流电动机转速控制系统由软件设计和硬件电路设计两大部分组成。软件设计主要包括PID算法设计、lcd显示程序设计、功能按键函数设计。硬件电路由驱动模块、测速模块、显示模块、电源模块、功能选择模块等构成。

2 软件设计

2.1 PID算法设计

按偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器简称为PID调节器。它结构简单，参数易于调整，采用单片机系统来实现PID控制时，其软件系统灵活易修改完善的优点得以发挥，所以，PID数字控制器得到越来越广泛的应用。

图1为直流电动机PID控制，给定速度n0（t）与实际转速进行比较n（t），其差值e（t）=n0（t）-n（t），经过PID控制器调整后输出电压控制信号u（t），u（t）经过功率放大后，驱动直流电动机改变其转速。

2.1.1 比例控制

比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差，控制作用的强弱取决于比例系数KP。

2.1.2 积分控制

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大。积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。

2.1.3 微分控制

微分控制可以改善动态特性，超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

微分控制的作用是阻止偏差的变化，它是根据偏差的变化趋势进行控制，偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差变大之前进行修正，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。

2.2 位置式PID和增量式PID

2.2.1 位置式PID算法

指在积分环节对从0时刻到当前时刻的所有偏差进行积分，是非递推式的全局变量。由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对第K次采样时刻输入的偏差值进行累加，工作量大。

2.2.2 增量式PID算法

通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。

由于位置式PID算法容易产生积累误差，而且对计算量要求高，所以增量式PID控制算法得到广泛的应用。本系统中采用增量式PID算法，增量式PID表达式为：

3 硬件电路设计

3.1 电机驱动电路

本设计中电机驱动电路采用了MX1508四通道双路有刷直流电动机驱动ic，该ic内部集成双通道N沟道和p沟道低导通低内阻的功率mos设计的H桥驱动电路，通过对角线导通mos管来控制电动机正反转。

3.2 电机测速电路

本设计中电机测速装置采用光电式测速传感器，电机的一端装有码盘，发射管一直处于工作状态。当码盘上的栅格对准接收管时而导通，此时输出低电平，当栅格没有对准接收管时而截止，此时输出为高电平。由于码盘上面的栅格为30格，故电机旋转一圈光敏晶体管输出30个脉冲。

3.3 功能选择模块

功能选择模块其实就是独立键盘，虽然占用接口多，但程序简单。本设计中按键由上到下依次是设定加、设定减、电机转向、PID值设定、启动停止功能键。

3.4 显示模块

显示模块采用了LCD1602液晶屏来显示，该显示模块由数据端口和控制端口两大部分组成。单片机将要显示的数据发送到数据端口，控制端口决定发送来的数据显示的位置和顺序。字符的显示由这两部分共同控制来实时显示。

3.5 电源模块

电源模块主要由开关电源模块、锂电池充电模块、锂电池升压模块、18650锂电池等组成。开关电源模块将220v的交流电稳压到5v直流电压；锂电池充电模块将5v电压改变为4.2v电压来对锂电池充电；锂电池升压模块将3.7v电压升到5v电压。最终的5v电源将为单片机，lcd1602、电动机、驱动模块、测速模块等供电。

采用此种设计的优点是，采用独立电池和开关电源二级电源供电，大大提高了系统的可靠性。

4 结束语

本文设计了一种基于STC89C52单片机的直流電动机PID转速控制系统。经过原理图设计、洞洞板焊接、硬件测试、软件编写、PID参数整定、通过反复测试，具有稳态误差小，控制精度高，响应速度快等优点，满足预期要求。

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