基于PID和PWM技术的直流电机控制

基于PID和PWM技术的直流电机控制 基于PID和PWM技术的直流电机控制 丁杨 f四川建筑职业技术学院四川德阳618000) 摘要:阐述了单片机通过PID和PWM技术实现对角度传感器的控制过程和编程 要点,给出了系统 的组成框图,分析了单片机实现PWM控制技术的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法和PID算法原理,并给 出了由PWM信号驱动 直流电机的一般设计方法. 关键词:单片机;PWM;PID;变频器;自适应;直流电机;角度传感器 中图分类号:TM33文献标识码:A 随着科学技术的进步,自动化控制 要求不断扩大.以单片机为核心的自动 控制技术价格低廉.使用方便.应用也 最普遍笔者以STC89C54RC+单片机为 基础.采用数字PID算法和PWM系统 通过直流电机调速实现对角度传感器 的控制.利用Proteus软件对系统进行 仿真.保证设计的电路能够满足性能指 标要求. l直流电机PWM调速原理 直流电机因具有良好的线性调速 特性,效率高,控制简单,调速性能好及 体积小等优点得到了广泛使用对直流 电机的转速控制方法可分为对励磁磁 通进行控制的励磁控制法和对电枢电 压进行控制的电枢控制方法目前绝大 多数直流电机采用开关驱动方式.它是 使半导体功率器件工作在开关状态.通 过脉宽调制PWM来控制电机电枢电 压.实现调速 PWM(PulseWidthModulation.脉 冲宽度调制技术通过对一系列数字脉 冲的宽度进行调制.在脉冲作用下.当 电机通电时速度加快.断电时速度逐渐 变慢.只要按一定规律改变通断电时 间.即可对电机的转速控制.实现直流 电机调速数字化 2PID控制基本原理 PID控制即比例(Proportiona1),积 分(Integrating),微分(Differentiation)控 制.在PID控制系统中,完成PID控制 收稿日期:2011-09—09 150科技创业月刊2011年第l4期 规律的部分称为PID控制器它是一种 线形控制器,用输出Y(t)和给定量r(t) 之间的误差的时间函数e(t)=r(t)一v(t). 实际应用中.可以根据受控对象的特性 和控制的性能要求.灵活地采用不同的 控制组合(见图1) 晶科技推出的新一代超强抗干扰,高 速,低功耗的单片机.指令代码和引脚 完全兼容传统的8051单片机.具有 16KByteFlashROM,1280ByteRAM以 及3个定时器.支持串口在线编程.操 作非常方便 图1PID控制算法框图 该设计的PWM信号主要是用来控 制直流电机.PWM信号的高电平持续 时间对应的控制量是一个绝对值.而不 是一个控制量的增量如直接用常见的 增量式PID算法只能计算出控制量的 增量.所以,设计中先采用增量式控制 控制算法计算出控制量的增量.然后与 上一次的控制量相加即可以得到本次 的控制量实验证明.该系统的PID算 法以增量式算法实现"位置PID算法" 的结果,使控制得到简化,容易实现. 3系统的硬件组成 系统由主控制器 STC89C54RC+,运算放大器,液晶 显示电路,键盘电路,角度传感采 集等电路组成(见图2). 3.1STC89C54RC+单片机 STC89C54RC+单片机是宏 3.2A/D角度采 集电路 t)该电路主要由 角度传感器 WDD35D,差分运算 放大器O1)07和 ADC芯片ADC0832 组成(见图3).其中 WDD35D为一种0.1%线性度的电阻性 角度传感器,其满偏电阻为4.4k.可精 确测量0.,345o.要求能实现0.,60~之 间的测量和保持45~的角度.利用 WDD35D能实现直流输出的特性.用一 个4.7k电阻分压.及45~时通过电压跟 随器输出0.6v左右电压ADC0832采集 此电压转送给单片机进行处理模数转 换芯片ADC0832为8位分辨率A/D转 换芯片.其最高分辨可达256级.有2 个通道可供选择.可以适应一般的模拟 量转换要求由于芯片DO端与DI端在 图2系统硬件组成 基于PID和PWM技术的直流电机控制 通信时并未同时有效并与单片机的接 口是双向的.设计时将DO和DI并联在 一 根数据线上使用.这样可以节约部分 单片机I/O端口. 图3角度采集电路 3.3直流电器驱动电路 直流电器驱动可以采用大功率三 极管结成H桥式电路.通过PWM控制 各桥臂的导通可以连续控制电机的转 速和方向.但是桥臂的驱动电路较复 杂.而且一旦同一侧的上,下两管同时 导通.就会造成电流直通.进而烧毁电 路.该设计采用集成驱动器L298N.芯 片内部有一套完善的H桥电路.可以方 便使用.也可以简化电路.电路工作过 程.PWM输出接ENA.单片机输出高电 平到IN1.电机正转.通过改变输出 PWM的占空比即可实现电机的旋转速 度(见图4). 初始化操作.并使 系统运行按键处 理程序.执行相应 的处理函数图5 为系统的流程图 4.2按键处理程序 键盘采用的 是矩阵键盘.并采 用0号外中断进 行键盘扫描触发. 只要有O号外中 断请求.CPU就会图5主程序流程 调用键盘扫描程序.识别键盘,判断键 值. 4.3A/D转换程序 通过ADC0832完成对角度传感器 输出电压的采集.芯片开始转换工作 时.由单片机向芯片时钟输入端CLK输 入时钟脉冲.DO/DI端则使用DI端输 入通道功能选择的数据信号.在第1个 时钟脉冲的下沉之前DI端保持高电 平,表示启始信号.在第2,3个脉冲下 沉之前DI端输入2位数据用于选择通 道.从DO断口读出转换的8bit数字信 号为了提高系统的灵敏度.将A/D转 换程序放到周期为20m的定时器0中 断处理程序. 4.4PID处理程序 图4电机驱动电路 4系统软件设计 系统软件主要由单片机程序组成. 采用KeilC编程软件设计采用模块化 设计方法.整个软件可分为主程序,按 键处理程序,A/D转换程序,PID处理程 序,PWM生成程序和显示处理程序. 4.1主程序 系统主程序主要完成系统各部件 增量式PID是 指数字控制器的输 出只是控制量的增 量.控制增量的确 定仅与最近的K, K一1,K一2次的采样 有关.所以能够较 容易地通过加权处 理而获得较好的控 制效果.图6为PID的工作流程.以下 是PID控制程序的部分代码: doublePIDCalc(PIDPP,double NextPoint)' { doubledError, Error; >SetPoint—NextPoint: ErrorPP一 ,,差 PP一>SumError+:Error;,/积分 dErrorpp->LastError—PP一>Pre— vError://当前微分 pp->PrevErrorpp->LastError; PP一>LastError=Error; 图6PID工作流程(下转第159页) PIONEERINGWITHSCIENCE&TECHN0LOGYM0NTHLY?D.142011151 木制玩具色彩设计中的年龄考量 具.但是由于市场空白.没有适合老年 人玩耍的玩具.同时在玩耍空竹时需要 眼手协调.又可以锻炼体魄.因此.空竹 成了一些老年人茶余饭后把玩的对象 在为老年人设计木制玩具色彩时.一方 面由于老年人在经历了风风雨雨之后. 对世事已没有太多的强求.只求平平淡 淡.安享晚年.另一方面老年人的生理 也不断变化.喜欢朴素而深沉,高雅而 文静的色彩.基于这些原因.在玩具所 有色彩中.同时加入灰色.以求得在整 体方面的统一,如绿灰,蓝灰,紫灰,米 灰,深棕,浅灰,浅蓝等色调. 此外.由于老年人视觉机能退化. 在一些可操作的木制玩具上.操作界面 需要注意的地方要用醒目的色彩加以 强调.比如,通常用于警示牌的红色.以 及明度高,最能吸引人眼球的黄色色 彩一定要能够从众多色彩中脱颖而出. 但面积又不可过大.以免喧宾夺主.也 不可过小,不然会被其他色彩淹没.起 不到警示的效果.总之要根据玩具色彩 面积以及整体来安排.才能设计出合理 合乎人机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的玩具 总之.在木制玩具色彩设计时.面 对不同的消费群体.需要了解他们的生 理和心理变化.不同的年龄对色彩的感 知行为是不同的.还要注意色彩明度, 纯度,饱和度的合理搭配,在进行木制 玩具设计时就要避免使用低短调,低中 调,中短调等明度的弱对比(见图4),以 免产生忧郁的,低沉的,模糊不清的视 觉效果.熟练掌握色彩属性,才会在平 时的设计中运用自如.更好地展现木制 玩具的特点.提高产品的价值 参考文献 1现代汉语词典(第3版)[M].北京:商务 .圈\ s 垦) l/ e -, s 一) -/ 3 2 1 I jIjI 图4调性对比 3十骱棒l;《拜赫对比棒为 媸?科诧十精瓣戟筹 辨对地辣为*对地}3 个傩,5十越瑚蚺为喀l 饿簿 低嫒调 印书馆出版社.1996 2荣誉.照明心理学与建筑照明[J].照明工 程,1992(9) (责任编辑高平) (上接第151页) return,PP一>ProportionError// 比例项 +pp->Integralpp->SumError// 积分项 +PP一>DerivativedError//微 分项 ); } 4.5看门狗处理程序 STC98C54RC+单片机内部集成有 硬件看门狗.看门狗由片内独立的振荡 器驱动,设置看门狗的步骤为:先初始 化并打开看门狗.然后把喂狗指令放在 循环程序中 4.6PWM生成程序(见图7) 只要PWM脉冲的周期正比于PID控制算法的输出结果即可.具体实现过 程中,取u(k)的整数部分保存,然后用 PWM信号的周期值减去u(k)所得值即 为定时器1的初值. l定时器1中断J <占空比.PWM置高 >占空比.PWM置低 装入PWM初值 图7PWM生成程序 5结语 该设计完成了设计的基本要求和 扩展要求.能通过电机的旋转控制角度 传感器转动范围为0o~60..并可稳定在 45..另外,PID参数的确定需要反复的 实验观测.所以本系统的PID各参数设 置不一定都是较理想_的选择.但系统稳 定时控制精度可达1~/step.根据实际需 要.若要进一步提高系统控制的反映速 度,精确度和稳定度还需要设计更稳定 和精确的转速测量电路以及设置更准 确的PID参数 参考文献 1谢世杰.陈生潭.楼顺天.数字PID算法在 无刷直流电机控制器中的应用[J].现代 电子技术,2004(2) 2陈国呈.PWM变频调速技术『M].北京:机 械S-业出版社.1998 3范子荣.张友鹏.基于温度系统的模糊自 适应PID控制器的设计与仿真[J].兰州 交通大学.2006(3) (责任编辑何丽) BasedonPIDandPWMRealizationofDCMotorControlTechnique Abstract:ThisthesisisdescribedMCUprocessofDCmotorcontroltechniquerealizationbasedonPWMandPIDand programmingpoints.MCUprogrammingdiagramofPWMandPIDalgorithmrealizedaregiven.MCUrealizationofPIDcontrol- lingtechniquedesignmethodandalgorithmprincipleisanalyzedsystematically.GeneraldesignmethodsofDCmotorcontrol withPWMcontrollingtechniquearegiven. Keywords:microcontrolunit;pulsewidthmodulation;proportionalintegratingdifferentiation;frequencyconverter; adaptive;DC—motor;anglecontrol PIONEERINGWITHSCIENCE&TECHNOLOGYMONTHLYNO.1.42011159, 鑫口 ?一?