【文章內容簡介】 工作在開關狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流 PWM 調速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調制 ( PWM) 技術得到了飛速的發(fā)展。 目前，在該領域中大部分應用的是數(shù)字脈寬調制技術。電動機調速系統(tǒng)采用微型計算機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微型計算機控制后，整個調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結構簡單、可靠性高、操作維護方便 ,電動機穩(wěn)態(tài)運轉時轉速精度可達到較高水 平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。 根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的 PWM 脈沖與相等時間內沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間 T 內脈沖寬度為t0,幅值為 U，由圖 23 可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為： 圖 23 PWM 脈沖 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 5 U ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0TUtU ?? 00 ，若令 Tt0?? ， ? 即 為占空比，則上式可化為： U ???0 (U為脈沖幅值 ) （ 21） 若 PWM 脈沖為如圖 24 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 UT UtnT UntU ?????? ?000 （ ? 為矩形脈沖占空比） （ 22） 圖 24 周期性 PWM 矩形脈沖 由 公 式 24 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? 來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅 值一般 是恒定的，所以通常通過控制占空比 ?的大小實現(xiàn)等效直流電壓在 0～ U 之間任意調節(jié)，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。 M 法測速的實現(xiàn) 在系統(tǒng)中，使用單片機的 T/C0 和 T/C1 分別記數(shù)高頻時鐘脈沖個數(shù) M2和同時間內旋轉編碼器輸出的 脈沖個數(shù) M1。由于 T/C0 還要給 AT89S51 給定時鐘信號，因此工作于計數(shù)器方式，時鐘信號為單片機時鐘的 1/2 分頻即 4MHZ，定時器初值設為 80H。 T/C0溢出中斷后，記錄 T/C1 的數(shù)值 M1，并將單片機 PB0 清零，延時 5 個時鐘之后，置位PB0 口后重新開始記數(shù)，再次溢出中斷時：如果測速容許，再次記錄 T/C1 的數(shù)值 M1，否則將單片機 PB0 清零，延時之后置位 PB0 口，重新記數(shù)。這樣循環(huán)， T/C0 完成了記數(shù)高頻時鐘脈沖個數(shù) M2和單片機脈沖信號的輸出。那么，電動機的轉速為： 10260 Mfn pM? （ 23） 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 6 式中 f0———— 高頻時鐘頻率 4106HZ P—— 旋轉編碼器的光柵數(shù) 1024 M2———— 高頻時鐘脈沖個數(shù) 64 PID 算法 控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。實際經(jīng)驗和理論分析都表明， 相當多工業(yè)對象的控制要求 能夠 被 PID 控制滿足，至今仍是應用最為廣泛的控制算法之一。下面說明數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。 數(shù)字 PID 在 DDC 系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計 ， 對控制規(guī)律進行離散化 的算法設計。 為將模擬 PID 控制規(guī)律按式（ 22）離散化，我們把圖 21 中 r(t)、 e(t)、 u(t)、 c(t)在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 r(n)、 e(n)、 u(n)、 c(n)表示，于是式（ 24）變?yōu)? ： )(ne = )(nr － )(nc （ 24） 當采樣周期 T 很小時 dt 可以用 T 近似代替， )(tde 可用 )1()( ?? nene 近似代替， “積分 ”用 “求和 ”近似代替，即可作如下近似 T nenedt tde )1()()( ??? （ 25） ? ???t niTiedtte01)()( （ 26） 這樣，式（ 22）便可離散化以下差分方程 01 })]1()([)()({)( uneneTTneTTneKnuniDIP?????? ?? （ 27） 上式中 0u 是偏差為零時的初值 ,上式中的第一項起比例控制作用 ,稱為比例（ P）項)(nuP ,即 )()( neKnu Pp ? （ 28） 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 7 第二項起積分控制作用 ,稱為積分（ I）項 )(nuI 即 ??? niIPIieTTKnu1)()( （ 29） 第三項起微分控制作用 ,稱為微分（ D）項 uD(n)即 )]1()([)( ??? neneTTKnu DPD （ 210） 這三種作用可單獨使用 (微分作用一般不單獨使用 )或合并使用 ,常用的組合有 : P 控制 : 0)()( ununu P ?? （ 211） PI 控制 : 0)()()( unununu IP ??? （ 212） PD 控制 : 0)()()( unununu DP ??? （ 213） PID 控制 : 0)()()()( ununununu DIP ???? （ 214） 式（ 27）的輸出量 u(n)為全量輸出 ,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此 ,式（ 27）又稱為位置型 PID 算式。 由（ 27）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差 e(i),不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（ 27）進行改進。 根據(jù)式（ 27）不難看出 u(n1)的表達式，即 011 })]2()1([)()1({)1( uneneTTneTTneKnu niDIP????????? ??? （ 215） 由公 式（ 27）和式（ 215）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為 )1()()( ???? nununu )]2()1(2)([)()]1()([ ????????? neneneKneKneneK DIP （ 216） 從上式可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為 )(nu 0)]2()1(2)([)()]1()([ uneneneKneKneneK DIP ?????????? （ 217） 式中 KP——比例增益 KI————積分系數(shù) KD————微分系數(shù) 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型 示意圖分別如圖 25 和 26 所示： 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 8 P I D增 量 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 圖 25 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 圖 26 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化， 小 超調量，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值， 不宜過大的 操作變量，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。 PID 調節(jié)器的參數(shù)整定方法有理論計算法和工程整定法兩種。 以能獲得被控對象準確的數(shù)學模型為前提 用理論計算法設計調節(jié)器，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多 的還是工程整定法。 本設計用的是經(jīng)驗法。 經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調整 P、 I、 D 三者參數(shù)的大小的。經(jīng)驗法的整定步驟： （ 1） 讓調節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) KI=0，實際微分系數(shù) KD=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù) KP，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。 （ 2） 取比例系數(shù) KP為當前的值乘以 ，由小到大增加積分系數(shù) KI，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。 （ 3） 積分系數(shù) KI保持不變，改變比例系數(shù) KP，觀察控 制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù) KP增大一些，再調整積分系數(shù) KI，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) KP和積分系數(shù) KI為止。 （ 4） 引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù) KD 和實際微分時間 TD，此時可適當增大比例系數(shù)KP 和積分系數(shù) KI。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過程滿意為止。 PID 參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般 P可在 10 以上 ,I 在（ 10）之間 ,D 在 1 左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般 P在（ 10）之間 ,I 在（ 0、 5）之間 ,D 在（ 、 1）之間 ,具體參數(shù)要在現(xiàn)場進行調試。 本實驗裝置采用經(jīng)驗法，通過實驗數(shù)據(jù)或曲線，修改 PID 參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)控制。 P I D位 置 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 設計方案 選擇 系統(tǒng)設計方案 根據(jù)系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如 圖 21 所示 。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM 脈沖送到電機驅動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉速，同時利用速度檢測模塊將當前 轉速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字 PID 運算后改變 PWM 脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉速實時控制的目的。 圖 21 系統(tǒng)方案框圖 12864LCD 4*4 鍵盤 AT89S51 L298N 直流電動機 電流檢測 速度檢測 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 10 控制器模塊設計方案 根據(jù)設計任務，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖，并對電機當前速度進行采集處理，根據(jù)算法得出當前所需輸出的占空比脈沖。采用AT89S51 作為系統(tǒng)控制器。 AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性 能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 ．主要 性能參數(shù) ： (1)與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 (2)4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 (3) (4)全靜態(tài)工作模式： 0Hz33