电机驱动及PID算法

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1、一、直流电机转速(开环)控制方法改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的旋转方向。使用PWM(脉宽调制)方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小，其基本原理可由图1说明。设Ui是三极管基极的控制电压，UM为电机两端的直流电压，它们的波形如图2所示，在一个周期T内，它的平均电压UM为令，称矩形波的占空比，可知，改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。图1图2二、直流电机的正反转控制电路改变加给电枢的直流电压极性，即能改变电机旋转方向；方案之一是使用直流继电器来改变供电极性，另一种方案使用两组晶体三极管构成切换电路

2、，图3示出电路之一，图3其工作原理简述如下：当A=1(高电平)：则B=0→T1导通→T2导通；C=1→T3截上→T4截上；于是电流i1流经由机M的路径为：Ucc→T1→M→T2→地，电机正转若A=0(低电平)：则B=1→T1截上→T2截上；C=0→T3导通→T4导通；于是电流i2的流径电机M的路径为：Ucc→T3→M→T4→地，电机反转。图4是正反转控制的另一种电路，图4其工作原理简述如下：当A=1：则B=0→T1截上→T2导通C=1→T4导通→T3截上于是电流i1流径电机M的路径为：Vcc→T2→M→D2→T4→地，电机正转。当A=0：则B=1→T1导通→T2截上C=0→T

3、4截上→T3导通于是电流i2流径电机M的路径为：Vcc→T3→M→D1→T1→地，电机反转。以上两个电路，以图4为例，在T1、T4的控制输入端B、C处分别加入一个与门(或者与非门)引入PWM信号，则可以把正反转控制和PWM调整控制结合起来。三、整形电路为使不规范脉冲波形的前后沿陡峭，并使其幅值规范为某一定值，须使用整形电路。通常，使用滞回比较器构成整形电路，它具有抗干扰能力强等特点，在一些简单应用中，也可以使用简单的单阈值比较器。还有一种简单的方法就是使用一级反相器进行整形，如果必须保质脉冲的极性不变而不是仅仅得到边沿，就再加一级反相器进行倒相。下图是使用通用运放整形的一个例

4、子。R147kR22kR3100k+C1100u+VccGNDGND+C2Uo·UcctUo图5四、闭环控制算法要使电机的转速稳定在某一预定的转速，需要随时监测(采样)电机的转速并与预定值(设定值)相比较，根据比较为结果来不断调整电机的转速，使之尽量接近设定值，这一过程称为闭环反馈控制，其控制方法(控制策略)称为控制算法，控制算法可以有多种多样，其中典型的一种算法叫做PID(比例—积分—微分)算法(或PID控制)。PID控制有连续PID控制和数字PID控制两种，前者由模拟电子线路构成，不含智能元件(单片机)，后者以微计算机为核心构成。闭环反馈控制系统的组成如图6框图所示。∑设

5、定值r偏差ePID算法y执行机构被控对象采样(检测)－采样值图6数字PID控制常常采用增量PID算法，表达式如下：y(k)=y(k-1)+△y(k)其中y(k)——第k次输出的控制(信号)值y(k-1)——前一次输出的控制(信号)值△y(k)——输出增量(可为正、负数)△y(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]其中：kp—比例系数ki—积分系数kD—微分系数e(k)：第k次采样时的偏差值(采样值与设定值之差)e(k-1)：第k-1次采样时的偏差值(采样值与设定值之差)e(k-2)：第k-2次采样时的偏差值(采样值与

6、设定值之差)上式中有kPkiKD3个系数需要确定，在实际应用中具有难度，根据前人的研究，可采用如下的简化了的经验公式：△y(k)=kP[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)]，这样就只有一个系数KP，容易在实验中调整确定。五、闭环控制性能评价1、最大超调量σ%指系统在响应的动态过程中，输出最大值Cmax超过稳态值(或设定值)的百分数。式中C(∞)——输出稳态值(可用设定值近似)2、上升时间tr从t=0开始，系统输出量上升到稳态值所需的时间。3、调节时间ts。从t=0开始，系统输出量与稳态值之差不再超过规定误差(取2%~5%)所需的时间。4、延迟时间td：

7、从t=0开始，输出值上升到稳态值的50%所需的时间。5、峰值时间tp从t=0开始，输出值上升到第一个峰值所需的时间。6、稳态误差：当t→∞时，系统输出值与期望值(设定值)之间的误差。闭环反馈控制过程响应曲线如图7所示。图7六、电机转速的测量使用光电耦合或者霍尔电路可以得到脉冲，对脉冲计数（测频）可知电机的转速以及转向，具体方法自己查阅资料。七、实验的要求可以通过键盘任意（在合理范围内）设定直流电机的转速和转向，并通过液晶显示设定值和实测结果。这个实验可能是同学们接触的第一个比较完整的小系统，虽简单但综合