基于單片機采用PID算法的電機控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著社會的發(fā)展，電機控制技術(shù)也在不斷改進。該文就電機控制系統(tǒng)的角度，提出在單片機的基礎(chǔ)之上，利用PID進行計算的電機控制系統(tǒng)。該文介紹了該系統(tǒng)的工作原理，以及是否可行進行了實驗，望能有所增益。

關(guān)鍵詞：單片機；PID算法；電機運行；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2112-03

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，簡稱為PWM，在控制電機運行方面有著廣泛的市場，因為其有著不少好優(yōu)點：反應(yīng)速度便捷，相當(dāng)高的精準(zhǔn)度，良好的平衡性。脈沖寬度技術(shù)的工作原理大致如下：首先，在晶體管特有的開關(guān)幫助之下，實現(xiàn)直流電源到方波脈沖電壓，其具有相對程度上的寬度，然后把這個方波脈沖電壓運用于直流電機的電樞。這時單片機就會發(fā)揮應(yīng)有的作用，其可以分析考辨電機的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速和原先調(diào)好的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速，從而得出二者之間的差異。最后在數(shù)字PD的幫助之下，調(diào)制方波寬度，這樣一來，電樞電壓的平均值和相序就發(fā)生了變化，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向也就得到了調(diào)控。

1 系統(tǒng)的工作原理

如圖1，所展示的便是系統(tǒng)的工作原理，從中可以了解到如何在運行中實現(xiàn)對電機的控制。首先，在單片機的幫助之下，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的給定值就一目了然，在光學(xué)斬波編

碼盤的幫助之下，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的反饋值也就得到了，將給定值和反饋值相減，誤差值也就呼之欲出了。在數(shù)字PID的控制之下，電機運行所需要的控制量得到解決，在這時只要利用DAC轉(zhuǎn)換器就可以把控制量改變成模擬信號，之后便會出現(xiàn)在PWM調(diào)制器上，并最終PWM控制電機。

光電隔離器在系統(tǒng)中起著重要的作用：光電隔離器處于電機驅(qū)動電路和單片機控制電路之間，將二者分離，這樣一來，來自外面的干擾信號就無法進入單片機的控制系統(tǒng)之內(nèi)了，系統(tǒng)的可靠性得到了保障，試驗增強了可信度。

2 電機運行的監(jiān)測

電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向問題對于電機運行的控制系統(tǒng)而言顯然是頭等大事。于是如何檢測電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向就顯得尤為重要。這里利用的是光學(xué)斬波編碼，可以相對準(zhǔn)確的計算出電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。如圖2即是光學(xué)斬波編碼的示意圖。

在圖2中我們可以發(fā)現(xiàn)：電機的旋轉(zhuǎn)軸上負擔(dān)著光電編碼盤，，光電接收器和光源也放置于光電編碼盤的兩邊。于是乎，電機旋轉(zhuǎn)軸運動的時候，光電編碼盤也就隨之運動，這樣一來，內(nèi)圈的光電接收器就會收到信息，產(chǎn)生A相波形，外圈的光電接收器就會產(chǎn)生不同A相波形的運動，稱之為B相波形。當(dāng)B相波形的速度大于A相波形的時候，光學(xué)斬波編碼做逆時針運動；當(dāng)B相波形小于A相波形的時候，光學(xué)斬波編碼做順時針運動。

在實際過程中，A相波形和B相波形并不可能完全滿足我們的要求，我們就需要對其進行加工整理，進行濾波之后，就會相應(yīng)的得到A相波形和B相的波形，這樣就比較符合系統(tǒng)對波形的需求，如圖3所示：

通過分析圖4我們可以清楚的得到以下結(jié)論：當(dāng)A相波形在經(jīng)過B相波形被形定之后就會得到A相波形，同樣的，當(dāng)B相波形在經(jīng)過A相波形被形定之后就會得到B相波形。虛假跳變一般不會發(fā)生，只有在擺動引起方向改變或者電機快要停轉(zhuǎn)的時候，A相波形或者B相波形發(fā)生了跳變，虛假跳變才會發(fā)生，并且具有重復(fù)循環(huán)性。同樣的，如果將A相波形或者B相波形改成A相波形或者B相波形的時候，虛假跳變也會不停的發(fā)生。

要想得到判斷電機旋轉(zhuǎn)方向的信息，就要讓B相波形和A相波形做異或運動，或者是讓A相波形跟B相波形做同樣的異或運動，都可以得到正確的判斷信息。在圖四中我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)：順時針方向旋轉(zhuǎn)形成的波形位于圖片的左邊，逆時針旋轉(zhuǎn)形成的波形位于圖片的右邊。

在B相波形和A相波形在做異或運動的過程中，單片機中的計數(shù)器就會開始工作，記錄下B相波形和A相波形發(fā)生異或運動所產(chǎn)生的計數(shù)脈沖，并生成完整的紀(jì)錄。如此一來，人們就不必每時每刻關(guān)注到單片機的工作，只要每隔一段時間紀(jì)錄下計數(shù)器的數(shù)值就可以了。為了準(zhǔn)確起見，可以將多次得到的數(shù)值進行平均，得到平均值，把平均值作為電機的轉(zhuǎn)速，這樣一來電機的轉(zhuǎn)速問題就得到了解決。

3 數(shù)字PID控制算法的使用

對單片機控制系統(tǒng)而言，采樣控制是得到廣泛使用的，因為無法做到對每組數(shù)據(jù)的收集整理分析。在采樣的過程中，只要采樣的周期合理了，那么偏差也就不會太大。同時還可以通過計算得到這個偏差值，再根據(jù)偏差值得到控制量的大小。在控制算法的方法中多種多樣，數(shù)字PID算法卻是人們最經(jīng)常會使用的方法。

將PID算法進行離散化，可以得到一個位置式，即

在這個等式之中，K ）代表的是比例系數(shù)； Ti代表的是積分時間； Td 代表的是微分時間； T代表的是 采樣周期； u0 代表的是偏差為零時的控制作用； ei ）代表的是給定值與反饋值構(gòu)成的控制偏差。

在等式1中，對PID算法進行增量，就可以得到下面這個增量式：

在比較等式1和等式2之后，我們就可以清楚的知道增量式PID算法的優(yōu)點：在數(shù)值上比位置式要來的少，只需要前3個小時的偏差，積累偏差也就比位置式來得要少很多，從而使PID算法更加的準(zhǔn)確，因此增量式好于位置式。

基于增量式的優(yōu)點，在這個電機控制的過程中，在進行算式計算的時候采用的是增量式算法，在進行輸出計算的時候采用的時候采用位置式算法，二者各有自己的特點。

在等式3中，要進行計算十分的方便和簡單：只要位置式有輸出Ui-1這個單元，PID調(diào)節(jié)的增量就會自動的增加，于是乎PID位置式就可以得到Ui的具體值。當(dāng)然這個過程能夠?qū)崿F(xiàn)，是在單片機內(nèi)存的強大的功能，他可以無時不刻的紀(jì)錄并且輸出已經(jīng)發(fā)生過的位置式的單元。

利用PID算法進行軟件編程工作的時候，就會將第三個等式進行變化，如下圖所示：

在等式4中，w 代表的是設(shè)定值； y i代表的是第i次實際輸出值； K 代表的是比例系數(shù)； I= T /T i代表的是積分系數(shù)； D = Td /T 代表的是 微分系數(shù)。

在進行調(diào)節(jié)PID控制系統(tǒng)的過程中，微分項的影響不可忽略，因為輸出會隨著微分項而發(fā)生一定程度的改變，尤其是在偏差e的數(shù)值比較小的時候，干擾就顯得更加明顯和容易，因為這個時候PID的控制系統(tǒng)處于敏感的階段。系統(tǒng)的抗干擾能力不強是無法保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性的，所以可以采取平滑濾波的手段對偏差進行處理，這樣一來系統(tǒng)的抗干擾力就會得到改善。

當(dāng)我們在計算PID算法的時候，積分飽和也常常使我們困擾。一旦發(fā)生積分飽和的現(xiàn)象，系統(tǒng)就會超調(diào)，出現(xiàn)不正常的情況。為了解決這種情況，分段變系數(shù)就可以發(fā)揮作用，對于系統(tǒng)的動態(tài)超調(diào)，靜態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)時間上可以有所作為。為了方便，這個系統(tǒng)就將動態(tài)的整個發(fā)展過程截成三部分，分別對每個部分進行合理的調(diào)節(jié)。第一段：在的情況下，進行調(diào)整的時候可以充分利用P，將比例系數(shù)假設(shè)為K1。這個時候系統(tǒng)在進行比例上面的調(diào)節(jié)，跟蹤速度顯得比平時要快很多；第二段：在下，進行調(diào)整的時候可以充分利用PD。在這個時候，系統(tǒng)等額跟蹤速度要比第一段和第二段的速度要小很多，但是在積分環(huán)節(jié)的幫助之下，這個時候的系統(tǒng)的精度卻要高很多。

4 小結(jié)

對于PID控制算法而言，具有很強的適應(yīng)能力，在工程實踐上顯得綽綽有余。在實際情況中，我們要做到具體問題具體分析，針對不同的系統(tǒng)選擇不同的控制算法。在控制計算的過程中，單片機的實時運算能力可以得到展現(xiàn)，超強的控制力可以得到發(fā)揮，很好的靈活度，便于手機到系統(tǒng)所需要的各方面的參數(shù)，完全可以滿足系統(tǒng)各個方面的需要。

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