基于单片机采用PID算法的电机运行控制系统设计

基于单片机采用P I D 算法的电机运行控制系统设计
薛　辉,王丛岭　(电子科技大学,610054)
摘要:本文介绍了一种基于单片机的电机运行控制系统的设计方案,并着重对数字P I D 控制算法在单片机控制系统中的应用进行了讨论。

关键词:电机控制;单片微机(MCU );P I D 算法;P WM
中图分类号:T M306 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2006)01-0051-02
0　引言
在电机的运行控制中,通常广泛采用脉冲宽度调制(P WM )技术,具有响应快、精度高、平稳性好等特点。

利用大功率晶体管的开关作用,P WM 将直流电源调制成具有一定频率的宽度(脉冲占空比α)可调的方波脉冲电压,加在直流电机的电枢上,单片机把检测到的电机转速、转向与设定的转速、转向进行比较,通过数字P I D 调节对方波脉宽进行调制,从而改变电枢电压相序及平均值,实现对电机转向、转速的控制。

1　系统工作原理
系统的原理框图如图1所示
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图1　系统原理框图
在电机运行控制系统中,单片机根据系统控制面板得到电机转速和转向的给定值,同时由光学斩波编码盘经电机监测电路得到电机转速和转向的反馈值,两者相比较得到误差值,经数字P I D 控制算法得到电机运行的控制量,并通过DAC 转换器将控制量转换成模拟信号送到P WM 调制器,经P WM 功率放大器后实现对电机的运行控制。

为了防止外界干扰信号进入单片机控制系统,系统中采用光电隔离器将单片机控制电路与电机驱动电路完全隔离开,以提高系统的可靠性。

2　电机运行监测
在电机运行控制系统中首先要解决的问题是电机
转速、转向的监测。

本文采用图2所示的光学斩波编码盘来监测。

光电编码盘固定在电机的旋转轴上,在其两侧分别安装着光源和光电接收器。

当光电编码盘随电机轴旋转时,对应于光电编码盘内圈的光电接收器上产生A 相波形,而对应于光电编码盘外圈的光电接收器经反相后产生B 相波形,如图2所示。

比如,当
A 相波形超前于
B 相波形时为顺时针旋转,否则为逆
时针旋转。

图2　
光电编码盘及其波形
图3　由光电编码盘监测电机运行电路
图3给出了电机运行监测电路。

为了获得较理想的系统所需要的波形,我们对来自光电传感器的A 相、B 相波形信号作滤波处理,得到A ′相、B ′相波形。

图4为电机监测电路各点的波形图。

从图4中不难看出:A ′相波形是由A 相波形经B 相波形定时得到,而B ′相波形由B 相波形用A 相波形定时得到。

当电机接近停转或由于摆动的原因会出现改变方向的瞬间,如果这种情况出现在A 相或B 相波形跳变的前后,就会产生重复的虚假跳变。

使用A ′相和B ′相信号可以有效地避免重复的虚假跳变。

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图4　电机运行监测电路各点信号波形
将A ′相波形和B 相波形进行异或(XOR )即可得到判别电机旋转方向的判向信号。

图4中左边是顺时针旋转时的波形,右边是逆时针旋转时的波形。

当然,也可用B ′相和A 相的波形进行异或来得到判向信号。

在图中A ′相脉冲和B ′相脉冲相异或后作为单片机控制系统中计数器计数脉冲的输入信号,A ′相脉冲和B ′相脉冲波形的每一个跳变都将产生一个计数脉冲。

因此,单片机可以通过一固定的时间间隔来读取计数器的值,相邻两次读取的计数值之差可以代表电机的转速。

3　数字P I D 控制算法应用的讨论
单片机控制系统是一种采样控制,如果采样周期取得足够小,根据采样时刻的偏差用数值计算的方法可相当准确地计算控制量。

可选用的控制算法很多,但是常用的仍然是数字P I D 算法。

离散化后的位置式P I D 算法为:
u i =K[e i +
T
T i ∑i
j =0e j +
T d
T (e i
-e i -1)]+u 0(1)
式中:K —比例系数;T i —积分时间;T d —微分时间;T —采样周期;u 0—偏差为零时的控制作用;e i —给定值与反馈值构成的控制偏差。

从式(1)中,可以推导出增量式P I D 算法:
Δu i =K[e i -e i -1+T T i
e i +T
d T
(e i -2e i -1+e i -2)]
(2)
比较式(1)和式(2),不难发现,增量式P I D 算法只需保持现时以前三个时刻的偏差,从而避免了位置式P I D 算法中极易产生的较大的积累误差。

本系统中采用的P I D 算法是增量式算式计算,位置式输出的算法。

u i =u i -1+Δu i
(3)
式(3)所示的算法只要在单片机内存中随时更新
寄存前一时刻的位置式输出u i -1的单元,同式(2)所示
的当前时刻P I D 调节增量Δu i 相加,就得到了当前时刻P I D 位置式输出u i 。

在数字P I D 算法软件编程时,将式(3)进一步改写成:
u i -1=u i +K (Δe i +I ・
Δe i +D ・Δ2
e i )(4)
e i =w -y i
Δe i =e i -e i -1　Δ2
e i =Δe i -Δe i -1式中:w —设定值;y i —第i 次实际输出值;K —比例系数;I =T /T i —积分系数;D =T d /T —微分系数。

在P I D 调节中,由于微分项的作用易引起输出较大的变动,特别是当偏差e 较小时,对干扰更显得比较敏感。

为了提高系统的抗干扰能力,系统软件上采取了对偏差进行平滑滤波的措施。

e i =αe i +(1-α)e i -1　(0<α<1)
(5)
在P I D 算法中,积分饱和作用常常使系统出现明显的超调,往往是采用分段变系数控制方法,来解决系统的静态精度、动态超调及动态响应时间的关系。

本系统采用将动态过程分成三段进行调节的策略。

第一段:当e i ≥ε1时,采用P 调节,比例系数为K 1。

系统处于比例调节,跟踪速度快;
第二段:当ε2≤e i <ε1时,采用P 调节,比例系数为K 2。

系统也是比例调节,但为了减小系统的跟踪超调量,跟踪速度要小于第一段;第三段:当e i <ε2时,采用P I D 调节。

系统的跟踪响应速度较慢,但由于积分环节的作用,保证了系统的静态精度。

4　结束语
P I D 控制算法的工程实践性很强,必须根据具体
的系统特点来选择修正策略。

利用单片机强有力的实时运算和控制功能与软件灵活的手段,经过反复实验与现场调试整定,得到了符合该系统的各参数,达到了系统设计的要求。

参考文献:
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收稿日期:2005-09-08;修稿日期:2005-10-14
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