摘  要： 介紹了基于PID單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計方法。系統(tǒng)選用STC89C52單片機為控制器，并在此基礎上完成了硬件設計。利用脈寬調制技術，解決直流調速系統(tǒng)中調節(jié)時間長、抗干擾能力差等問題，實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，對負載的變化具有較強的魯棒性。
關鍵詞： 脈寬調制；直流電動機；PID

    直流電機具有調速范圍廣、易于平滑調速、啟動/制動和過載轉矩大、易于控制、可靠性高等特點，因此被廣泛應用于對調速性能要求較高的傳動系統(tǒng)中[1]。但是開環(huán)控制抗干擾能力差，響應時間長。伴隨著單片機技術的快速發(fā)展以及單片機自身具有體積小、抗干擾能力強、控制靈活、應用方便、價格低廉等諸多優(yōu)點[2]，選用單片機作為控制器實現(xiàn)直流電機閉環(huán)調速是一種較為理想的選擇。PID控制具有原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性強等特點，并且在工業(yè)控制中得到廣泛的運用。本文選用單片機為控制器，采用傳統(tǒng)PID控制規(guī)律實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。
1 PWM控制技術
    脈沖寬度調制技術簡稱PWM(Pulse Width Modulation)技術，就是用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速[3]。由其基本原理可知，一段時間內加在負載兩端的PWM脈沖與相等時間內加在負載上沖量相等的直流電壓等效，那么在時間T內脈沖寬度為t0，幅值為U，其等效直流電壓U0為：
  
    由式(1)可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比?琢來實現(xiàn)，從而達到利用PWM控制技術實現(xiàn)對直流電機轉速進行調節(jié)的目的[3]。由于PWM系統(tǒng)結構簡單、調速范圍廣，所以應用越來越廣泛。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 系統(tǒng)方框圖
    根據設計需要，構建如圖1所示調速系統(tǒng)。

    系統(tǒng)的主電路主要由電源模塊、控制器、驅動放大模塊、測量反饋、實時顯示模塊構成。其中電源模塊一方面實現(xiàn)對控制器單片機系統(tǒng)提供直流電源，同時為驅動模塊提供電源；測量反饋實現(xiàn)對直流電機的測速同時反饋給控制器作為輸入信號；顯示模塊實現(xiàn)人機交互，更好地反映了直流電機的速度變化過程。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.2 直流電機
    作為調速系統(tǒng)的被控對象，直流電機的選型很關鍵。本系統(tǒng)選用了Mitsumi公司的m25n型永磁直流電機。該電機額定電壓5 V~12 V，空載電流僅有30 mA~55 mA，輸出轉矩最大為35 mN/m，最高轉速達8 000 r/min，被廣泛應用于航空模型、機器人、玩具等領域，作為實驗研究很有代表性。
2.3 電源模塊
    穩(wěn)定的工作電源是保證調速系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要前提。本文選用L7809穩(wěn)壓芯片給直流電動機供電，用L7805穩(wěn)壓芯片給控制器和傳感器供電?？蓪?2 V直流電源轉換為穩(wěn)定的5 V和9 V直流電，負載可達1.5 A。采用這種供電方式，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，對電機運行無影響，能夠滿足系統(tǒng)要求。
2.4 控制器設計
    控制器是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)需要一個定時器、一個計數(shù)器來計算轉速，兩個8位I/O口用以轉速顯示。因此選用STC89C52單片機為核心控制器，它具有4 KB EEPROM存儲器、512 B RAM、2個16位定時器/計數(shù)器、工作頻率12 MHz、32個I/O口，資源足夠滿足系統(tǒng)設計需要。
2.5 驅動模塊硬件設計
    由于控制器的驅動能力僅有幾毫安，不能直接控制電機，因此需要驅動電路來驅動直流電機。SGS公司生產的L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成放大電路，最大驅動電流可以達到2.5 A，可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載，因此選用L298能滿足系統(tǒng)需求。
2.6 傳感器
    要構成轉速反饋環(huán)就要借助速度傳感器，因此選用了霍爾效應傳感器?；魻杺鞲衅骼没魻栃?，在電機的軸上安裝一個磁性碼盤，傳感器表面接近磁場時便產生一個開關信號，再將這個信號送入控制器進行測速用來計算轉速。這是一種數(shù)字測速方法，原理簡單，性能可靠，省去了模擬測量中的A/D轉換，節(jié)省了控制器資源。

3.3 主程序軟件流程圖
    主程序軟件流程圖如圖3所示。
3.4 控制器輸出波形
    控制器產生的PWM輸出波形如圖4所示。霍爾傳感器實時輸出波形如圖5所示，由波形可看出轉速是很穩(wěn)定的，經計算其轉速為2 604 r/min，測量轉速2 640 r/min與其差別不大,是可以接受的。

    本設計以單片機為控制器，基于PID控制算法，利用PWM技術完成了直流電機調速控制系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)結構簡單，實驗表明，系統(tǒng)性能可靠，能克服較大的擾動，且具有良好的動、靜態(tài)性能和較強的魯棒性，設計方案切實可行。
參考文獻
[1] 李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2005.
[2] 張毅剛，彭喜媛.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007.
[3] 賈玉英，王臣.基于單片機控制的PWM直流調速系統(tǒng)[J].包頭鋼鐵學院學報，2005，24（4）：48-51.
[4] 李國勇.過程控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.