基于PID算法的直流電機轉速控制系統的設計

摘 要：提出了基于單片機的高精度直流電機控制轉速的控制方案，以ATmega16單片機為核心，采用傳感器與CPU定時/計數器配合來測速，采用鍵盤進行數據輸入，通過編程實現了電機轉速超限、報警等功能。該裝置可以應用于要求轉速精確的電器產品中，使直流電機的各種潛在能力得到充分的發揮。

關鍵詞：PID算法 轉速測量 直流電機轉速控制 單片機

中圖分類號：TM301 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0108-02

與其它類型的電機相比，直流電機具有良好的起動性能，調速范圍廣，過載能力強等特點，因此直流電機在起動和調速要求較高的生產機械得到了廣泛的應用。隨著人民生活水平的提高，對視聽設備品質要求也在提高，這為小功率直流電機提供了廣闊的市場，因此，高精度控制直流電機轉速成為發展的必然趨勢。本文基于PID算法，以ATmega16單片機為核心實現直流電機的高精度控制，具有結構簡單，適應性強等特點。

1 總體設計方案

系統的總體設計方案如圖1所示，包括ATmega16單片機、從單片機、電機轉速測量裝置、直流電機、鍵盤輸入、顯示以及功能控制電路幾部分。以ATmega16單片機為核心，利用ATmega16具有PWM輸出功能控制電動機轉速，通過在PID運算過程中不斷改變控制參數，從而不斷調整被控參數，完成實時控制任務。

2 硬件設計

2.1 主機設計

主機部分電路由ATmega16單片機、復位電路、電源電路和下載接頭組成。在單片機引腳RESET上保持兩個周期低電平實現單片機的完全復位。采用PB3口作為PWM輸出口，PB0口作為T/C0的輸入捕捉引腳，接受從測速電路反饋回來的信號。PC1-PC3和PD2作為按鍵輸入，PC4-PC7作為數碼管的位選，PA口作為數碼管的段選，具體電路如圖2所示。

2.2 電機驅動電路

由于ATmega16具有PWM輸出功能，所以通過改變占空比就可以控制電動機的轉速。使用光耦Uyyy實現單片機與電機的控制部分和電機驅動部分的電氣隔離。Rggo作為光耦輸入端的限流電阻。Rirf3是上拉電阻，用來提高光耦輸出端的驅動能力。電機上的二極管和電容用來保護電機。MOS管IRF540作為驅動電路的功率輸出。

具體電路如圖3所示。

2.3 電源電路

選用7805三端集成穩壓器，提供+5V直流電壓，輸出電流為1A。交流電壓經過DAC1-DAC4橋式整流、電源指示燈及平滑電容Cyl濾波后得到非穩定8-12V直流電壓加到7805的輸入端。在輸入和輸出分別接人電容Cy3和Cy4來保證電路的穩定工作。

Cy3為輸入穩定電容，當穩壓器輸入阻抗降低時，防止發生振蕩，采用0.1-1uF的陶瓷電容。Cy4為輸出穩定電容，用來降低輸出紋波、輸出噪聲及負載電流變化的影響。采用Cy1和Cy2兩個大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。電源電路如圖4所示。

2.4 測速電路

本設計中，采用光電式傳感器和紅外對管。小電機轉子上安裝八孔光柵，隨著電機轉動而轉動，紅外發光管DHW一直處于發光狀態，電機轉一次，轉盤就擋住發光二極管一下，輸出電平經過三極管Qjs放大，發生一次跳變，單片機計數一次，轉盤轉一圈則計數八次。

轉速測量的電路圖如圖5所示。

3 軟件設計

系統的軟件設計分為主程序模塊、按鍵識別模塊、PID控制算法模塊和中斷子程序模塊。主程序模塊為其余幾個模塊構建整體框架和初始化工作；電機控制模塊通過PWM來對直流電機進行調速，實現在線檢測速度的功能。PID控制算法模塊是通過定時器每隔T秒中斷一次，完成一次PID控制計算，從而不斷調整被控參數，完成實時控制任務。主程序模塊的流程圖如圖6所示。

3.1 PID控制算法模塊

PID參數整定通常包括試湊法，擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法。采用擴充響應曲線法確定本系統的，，。通過ATmega16的PB.0端口捕捉光電管上升沿脈沖，在ATmega16內部算出電動機轉速，并同時將速度顯示出來。PID運算過程中所有參數和計算值均以多字節浮點數表示，在控制過程中不斷改變控制參數。系統運行中通過定時器每間隔T秒中斷一次，完成一次 PID控制計算，從而不斷調整被控參數，主程序中的PWM驅動模塊根據控制參數而改變PB3口輸出值，調整PWM輸出波形，完成實時控制任務。其程序流程圖如圖7所示。

4 結語

PID控制在工業控制中起著非常重要的作用。本設計完成了基于PID控制算法的直流調速的系統的研究與設計，包括系統的硬件開發和軟件，具有精度高，結構簡單，適應性強等特點。

參考文獻

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