基于PID算法的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐嘉寶 龍慧 丁慧玉 歐寒芝

[摘 ? ?要]使用MK60FX512VLQ15，采用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，采用N-MOS管搭建的“H橋”電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能滿足不同速度要求的電機(jī)調(diào)速，可廣泛應(yīng)用于微型直流電機(jī)控制中。

[關(guān)鍵詞]PID算法;N-MOS管驅(qū)動(dòng);直流電機(jī)

[中圖分類號(hào)]TM341;TP273.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract] ?This design uses mk60fx512vlq15， uses PID algorithm to control the speed of the motor， and uses the "H-bridge" circuit built by n-MOS tube to drive the motor. The experimental structure shows that the design can meet the motor speed requirements of different speeds， and can be widely used in the control of micro DC motor.

[Keywords]PID algorithm; N-MOS transistor drive; DC motor

PID算法誕生以來，經(jīng)久不衰。大到航空火箭的姿態(tài)控制，小到家用熱水器的溫度控制都需要使用PID算法。PID算法具有原理簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其在控制工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文運(yùn)用ARM-CortexM4的內(nèi)核的微控制器使用PID算法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。

1 系統(tǒng)硬件部分

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。MK60FX512VLQ15單片機(jī)構(gòu)成主控單元，主要處理編碼返回的數(shù)據(jù)與產(chǎn)生控制信號(hào)。為避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的灌電流損壞單片機(jī)的IO口，需對(duì)其進(jìn)行光耦隔離;單片機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力不足，因此需要場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)的轉(zhuǎn)速由編碼器采得并反饋給單片機(jī)，從而組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

1.2 主控單元

此次設(shè)計(jì)采用恩智浦公司生產(chǎn)的基于ARM Coretx-M4架構(gòu)的Kinetis MK60FX512VLQ15微控制器。Flash容量為512 kB，主頻為150 MHz。工作頻率最高可超頻至200 MHz。其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

（1）時(shí)鐘電路：由32.768 kHz的無源晶振Y2和50 MHz的有源晶振Y3與組成。晶振Y3為微控制器的工作提供系統(tǒng)時(shí)鐘，其經(jīng)過芯片內(nèi)部的PLL（鎖相環(huán)）倍頻或者FLL（鎖頻環(huán)）分頻后給如定時(shí)器、看門狗、中斷等芯片中各個(gè)片內(nèi)外提供時(shí)鐘信號(hào)。晶振Y2為微控制器內(nèi)部的RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。

（2）復(fù)位電路：由電阻R33、電容C33和按鍵S2組成，主要為用戶提供手動(dòng)復(fù)位的功能。

（3）JTAG調(diào)試接口電路：通過JLINK連接微控制器可實(shí)時(shí)調(diào)試程序。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，HCPL2630光耦隔離芯片隔離兩路PWM信號(hào)，兩片IR2104驅(qū)動(dòng)4個(gè)N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)電機(jī)M正轉(zhuǎn)，Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)電機(jī)M反轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件部分

2.1PID算法

比例積分微分控制算法用于調(diào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其系統(tǒng)框圖如圖4所示，根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差、將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[1]。設(shè)輸出為y（t），目標(biāo)值（輸入）為x（t），則誤差e（t）=x（t）-y（t），則。其中Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。通過調(diào)節(jié)Kp、Ki和Kd3個(gè)參數(shù)的設(shè)定，使系統(tǒng)同時(shí)具有比例控制的消除偏差、積分控制器的消除穩(wěn)態(tài)誤差的效果微分控制器的穩(wěn)定性的功能[1-2]。

2.2 離散化PID

由于該系統(tǒng)使用微控制器，需對(duì)比例積分微分控制算法進(jìn)行離散化。則y（n）=Kpe（n）+KiTi[e（n）+e（n-1）+…+e（0）]+Kd。其中Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。令KiTi=Ki，，則y（n）=Kpe（n）+Ki[e（n-1）+e（n-2）+…+e（0）]+Kd[e（n）-e（n-1）]。考慮到微控制器性能有限，對(duì)于存儲(chǔ)積分項(xiàng)的壓力過大，故采用增量控制。根據(jù)上述推導(dǎo)有y（n-1）=Kpe（n-1）+Ki[e（n-1）+e（n-2）+…+e（0）]+Kd[e（n-1）-e（n-2）]，則?y[n]=y（n）-y（n-1）=Kp[e（n）-e（n-1）]+Kie（n）+Kd[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]，對(duì)?y[n]進(jìn)行累加輸出，可以得到y(tǒng)[n][3]。

電機(jī)控制流程如圖5所示，首先輸入已經(jīng)調(diào)試好的PID參數(shù)，PID間隔時(shí)間使用微控制器的PIT定時(shí)器中斷，間隔為10 ms，若中斷時(shí)間到，則使用PID算法解結(jié)算出輸出，若停止運(yùn)行，則停止，否則將解算出的結(jié)果輸入到電機(jī)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

電機(jī)調(diào)速主要使用PID算法。根據(jù)PID控制器三者的特性，先調(diào)節(jié)Kp使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速接近目標(biāo)且不能產(chǎn)生過多的震蕩，再調(diào)節(jié)Ki使電機(jī)穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速，最后調(diào)節(jié)Kd改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)測(cè)得電機(jī)最快的速度為19個(gè)脈沖/10 ms調(diào)參時(shí)，為體現(xiàn)累積誤差，將測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)至100 ms，將目標(biāo)值設(shè)為0.7倍的最大速度，即133個(gè)脈沖/100 ms。最終調(diào)節(jié)所得參數(shù)為：Kp=67，Ki=17.5，Kd=15。其各段速度所需收斂時(shí)間如表1所示。由表1可以看出，部分速度區(qū)間需要較長(zhǎng)時(shí)間才能收斂，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將PID計(jì)算時(shí)間調(diào)整為10 ms，性能將大幅改善。

4 結(jié)束語

本文在微控制器上使用了PID算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)PWM的占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且原理簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)定、可廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)的控制中。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳學(xué)舜，韓志強(qiáng).《專業(yè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)探討——以西華大學(xué)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)為例[J].考試周刊，2016（72）：168-169.

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[3] 呂彥卿.室內(nèi)智能小車的軌跡跟蹤控制研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2020.