数字PID闭环直流电机调速控制系统

计算机控制技术课程设计报告题目电加热炉计算机温度测控系统设计学院(部)电子信息工程学院专业自动化学生姓名何光斌学号 200810311127 年级 2008级一班指导教师喻晓红职称讲师2011年 7月1日目录绪论 (1)系统设计 (2)1.系统概述 (2)2.直流电机的速度控制方案 (3)3.速度设定值和电机转速的获取 (4)4.非线性变速积分的PID算法 (4)4.1 PID算法的数字实现 (4)4.2数字PID参数整定方法 (7)4.3 经典PID算法的积分饱和现象 (9)4.4 变速积分的PID算法 (9)4.5 非线性变速积分的PID算法 (10)5.计算机控制仿真及分析 (10)5.1实验仿真步骤以及理论分析： (11)5.2 系统仿真结论以及分析 (12)总结 (13)参考文献 (14)绪论在现实生活中的各个运动系统环节，都少不了电机的积极作用，所以，能够控制好电机，一来能够节约能耗，二来能使电机输出我们所需要的效果，从而提高效率。

本次课程设计本质就是控制电机的转速，使电机输出我们想要的转速，为此，我们通过PID控制器对晶闸管直流单闭环调速系统进行控制，同时与各种电路相互结合，达到对电机的控制。

选用合理的参数整定方法合理选择KP、TI、TD以及采样周期T，使系统在超调不大的情况下快速响应。

数字PID闭环直流电机调速控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型。

而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此选用PID 控制器作为转速控制器是本系统的重要措施。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

在分析了直流电机闭环速度控制方案的基础上,针对PID算法在直流电机应用中出现的种种问题,给出了相应的解决方法，提出了非线性变速积分PID算法,成功地解决了在低采样周期时PID算法的积分饱和问题。

本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。

进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。

系统设计1.系统概述直流电动机调速性能好。

所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。

直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

起动力矩大。

可以均匀而经济地实现转速调节。

采用PID调节的转速单环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

系统原理图如图1所示。

转速调节器电流调节器三相集成触发器三相全控桥直流电动机给定电压电流检测转速检测××Un* +Un-Ui* -Ui+Uc Ud nTA图1单环直流调速系统原理图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间构成串级控制系统。

把转速调节器的输入当作电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，即三相集成触发器。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，即设计成带转速微分的负反馈直流调速系统。

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运放的倒相作用。

系统先进行信号采集再进行A /D转换,然后再通过给定和同步信号(由电源的过零点进行同步)使单片机送出脉冲来控制触发电路,控制整流电路输出,驱动电动机工作,再由检测电路带回实际转速给单片机,让单片机根据实际转速和给定转速进行比较、放大及P ID运算等操作,从而控制整流电路α角的大小,进而改变电机电枢电压的大小,达到调节电动机转速的目的。

并且可由单片机驱动显示电路。

图2单环直流调速系统硬件连接2.直流电机的速度控制方案对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。

与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。

直流电机的速度控制方案如图1所示。

图 3 直流电机速度控制方案直流电机控制器可采用电机控制专用DSP，也可采用单片机＋直流电机控制专用集成电路的方案。

前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的直流电机控制器。

后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的直流电机控制器。

闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。

PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID调节器得到了广泛的应用。

PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。

所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个直流电机控制器设计的成败。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

其输入e比 例+(t)与输出u (t)的关系为 u(t)=k p (e((t)+1/T i ∫e(t)dt+T d *de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为G(s)=U(s)/E(s)=k p (1+1/(T i *s)+T d *s)其中k p 为比例系数； T i 为积分时间常数； T d 为微分时间常数。

3.速度设定值和电机转速的获取为在单片机中实现PID 调节，需要得到电机速度设定值（通过A ／D 变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。

直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，图 4 霍尔传感器信号由图2可知,电机每转一圈,每一相霍尔传感器产生2个周期的方波,且其周期与电机转速成反比,因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。

为尽可能缩短一次速度采样的时间,可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度, 则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。

解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。

直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID 调节器的调节性能。

若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。

电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。

系统中采用了串行A ／D （如ADS7818）来实现速度设定值的采样。

但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A ／D 模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。

4.非线性变速积分的PID 算法4.1 PID 算法的数字实现图5模拟PID 控制系统原理框图在DDC 系统中，用计算机取代了模拟器件，控制规律的实现是由计算机软件来完成的。

因此，系统中数字控制的设计，实际上是计算机算法的设计。

由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，故在计算机控制系统中，首先必须对控制规律进行离散化的算法设计。

为将模拟PID 控制规律离散化，我们把图4中)(t r 、)(t e 、)(t u 、)(t c 在第n 次采样的数据分别用)(n r 、)(n e 、)(n u 、)(n c 表示，于是：)(n e =)(n r －)(n c （4-1）当采样周期T 很小时dt 可以用T 近似代替，)(t de 可用)1()(--n e n e 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 T n e n e dt t de )1()()(--≈ （4-2）这样，式（4-2）便可离散化以下差分方程01})]1()([)()({)(u n e n e T T n e T T n e K n u n i D IP +--++=∑= （4-3）上式中0u 是偏差为零时的初值,上式中的第一项起比例控制作用,称为比例（P ）项)(n u P ,即)()(n e K n u P p = （4-4） 第二项起积分控制作用,称为积分（I ）项)(n u I 即∑==n i I P I i e T T K n u 1)()( （4-5）+第三项起微分控制作用,称为微分（D ）项)(n u D 即)]1()([)(--=n e n e T T K n u D PD这三种作用可单独使用(微分作用一般不单独使用)或合并使用,常用的组合有:P 控制: 0)()(u n u n u P += （4-6）PI 控制: 0)()()(u n u n u n u I P ++= （4-7） PD 控制: 0)()()(u n u n u n u D P ++= （4-8） PID 控制: 0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++= （4-9）式（4-3）的输出量)(n u 为全量输出,它对于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置。

因此,式（1.7）又称为位置型PID 算式。

由（4-3）可看出，位置型控制算式不够方便，这是因为要累加偏差)(i e ,不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式（4-3）进行改进。

根据式（4-3）不难看出u(n-1)的表达式，即011})]2()1([)()1({)1(u n e n e TT n e T T n e K n u n i D I P +---++-=-∑-= （4-10）将式（1.7）和式（1.15）相减，即得数字PID 增量型控制算式为)1()()(--=∆n u n u n u)]2()1(2)([)()]1()([-+--++--=n e n e n e K n e K n e n e K D I P （4-11）从上式可得数字PID 位置型控制算式为)(n u 0)]2()1(2)([)()]1()([u n e n e n e K n e K n e n e K D I P +-+--++--= （4-12） 式中： P K 称为比例增益；I PI T T K K =称为积分系数；T T K K D P D =称为微分系数[1]。