基于单片机PID算法的直流电机测控系统

核心提示：　　随着电子技术的高度发展，直流电机测控逐步从模拟化向数字化转变。完全由硬件电路实现的直流电机测控系统，电路复杂，调整困难且可靠性不高，缺乏控制的灵活性。在工业控制中，按偏差的比例P、积分I和微分D进

　　随着电子技术的高度发展，直流电机测控逐步从模拟化向数字化转变。完全由硬件电路实现的直流电机测控系统，电路复杂，调整困难且可靠性不高，缺乏控制的灵活性。在工业控制中，按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID调节器现在得到广泛的应用。在小型微型计算机用于生产过程以前，连续过程系统中采用的气动、液动和电动的PID调节器几乎占垄断地位。由最优控制理论可以证明，它能适应不少工业对象的控制要求。单片机控制技术不断发展，特别是软件PID算法控制器的使用，代替了原来很多的硬件PID调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。基于软件PID算法控制器和硬件PWM技术的直流电机测控技术正向数字化、智能化、高可靠性发展。

　　1系统硬件组成直流电机测控系统如所示。本系统是以Cygnal C8051F020为核心所组成的闭环实时测控系统，是一个典够实现速度预置、转速显示，并能对转速进行精确测控。

　　霍尔测速电路产生的采样脉冲送外部中断，通过计数器进行计数，从而算出转速。将这个转速值与预置转速值比较，得出差值。C8051通过对该差值进行PID运算，得出控制增量，再由C8051输出控制参数，由PWM电路改变电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。

　　直流电机测控系统原理图键盘和显示电路采用了串行接口的7279控制电路。

　　在功能键盘上输入控制命令，电机转速显示在七段码显示器上。

　　PWM控制器方向为计算机测控技术。

　　p%Ms控制器由pwM波开形发生器和pwm延时保护t与功放电路组成。系统中测速部分使用了定时器T0，如果PWM波形发生也由C8051产生将会加大软件的任务，从而影响整个系统的实时控制效果。因此由外部电路产生PWM的波形，而C8051只提供控制参数来改变脉宽占空比，达到电机转速的变频调控。PWM波形发生器如所示。

　　输出脉冲的周期和频率可以计算出转速。为了提高对电机转速测量的精度，可以在电机转盘上均匀固定多块磁钢，电机每转一圈，霍尔传感器将会产生多个脉冲，通过软件计算可以精确测量电机转速。

　　由于霍尔传感器输出的脉冲波峰小、波形边沿不完整，采用施密特触发器电路对脉冲整形后输出到C8051外部中断INTO，施密特触发器输入输出波形如所示。

　　u.本PWM波形发生器中U1是一个10位的计数器，计数器的时钟输入端CP接C8051晶振的XTAL2端。本系统中采用的主频为12MHz的晶振，经过U1分频后得到PWM波形频率级联。U2的人>Bout端接一个过零比较器，其输出为PWM波，PWM波的脉宽可以通过从P0口输出数值改变。

　　PWM波输出负载能力过小，不能直接驱动电机，因此我们采用了双极型脉宽调制功率放大器。考虑对大功率晶体管从导通到饱和需要有一定的时间，防止所有的功放管同时导通，因此采用用几块门电路实现逻辑延时、连锁保护电路。同时为了使电机安全工作，在电机两端并接了电阻和电容，电阻值和电容的大小与电机参数以及PWM波形频率有关，可以通过计算得出。

　　L2霍尔检测电路转速是工程上一个常用的参数，转速的测量方法很多，霍尔开关传感器的应用就是其中之一。霍尔开关传感器是由半导体材料制成，其输出电压与外磁场大小成正比。由于其体积小、无触点、动态性能好且使用寿命长，在测量转动物体旋转速度领域得到广泛应用。本系统中采用了美国SPRAGUE公司生产的3000系列霍尔开关传感器。

　　根据霍尔效应原理，将一永久磁钢固定在电机转轴的转盘边沿，磁钢随电机转动，在电机附近相对转轴静止的位置安装一个霍尔开关传感器，霍尔传感器应在磁钢磁场有效范围内。电机转动时，受磁钢所产生的磁场影响，霍2系统软件设计软件设计基于CygnalIDE集成开发环境和KeilC51语言。本系统主要模块有主程序、INT0中断子程序、T0中断子程序、PID算法子程序和显示键盘处理子程序。主程序进行一系列的初始化后转入“PWM驱动、键盘控制处理、调显示”循环等待中断；外部中断INT0中断服务子程序对霍尔电路输出的转速脉冲计数；T0产生50ms定时中断，T0中断服务子程序对中断次数计数，每20次中断（1秒）读出转速脉冲计数值，计算出转速n次/s并送显示缓冲区。同时调用PID子程序对测试转速和设定转速进行差值计算，得出控制参数，并由P0口送到PWM控制器调整电机转速。在DDC系统中，用计算机取代了模拟调节器，控制规律的实现是由计算机软件完成的。因此，系统中数字控制器的设计，时间上是计算机算法的设计，笔者将着重解决PID算法及其实现。

　　PID算法设计思想在自动控制系统中，PID控制器是得到广泛应用的一种控制方法。由于电机转速与电枢外加电压的大小基本上成正比，这就构成了PID调节的基础。在采样时刻*=ixT为采样周期，i为正整数），模拟PID控制器调节规律的数学模型可以用微分方程来表示：u⑴=Kp.北京：北京航空航天大学出版社，2002.王建校，杨建国。51系列单片机及C51程序设计。北京：科学出版社，2002.潘琢金，施国君。C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用。北京：北京航空航天大学出版社，2002.孙传友，孙晓斌。测控系统原理与设计。北京：北京航空航天大学出版社，2002.