摘  要： 介紹了基于PID單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,。系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為控制器,，并在此基礎(chǔ)上完成了硬件設(shè)計(jì)。利用脈寬調(diào)制技術(shù),，解決直流調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)節(jié)時間長,、抗干擾能力差等問題，實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)速度的控制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，對負(fù)載的變化具有較強(qiáng)的魯棒性,。
關(guān)鍵詞： 脈寬調(diào)制,；直流電動機(jī)；PID

    直流電機(jī)具有調(diào)速范圍廣,、易于平滑調(diào)速,、啟動/制動和過載轉(zhuǎn)矩大、易于控制,、可靠性高等特點(diǎn),，因此被廣泛應(yīng)用于對調(diào)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(yīng)時間長,。伴隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及單片機(jī)自身具有體積小、抗干擾能力強(qiáng),、控制靈活,、應(yīng)用方便、價格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)[2],，選用單片機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速是一種較為理想的選擇,。PID控制具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn),、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),，并且在工業(yè)控制中得到廣泛的運(yùn)用。本文選用單片機(jī)為控制器,，采用傳統(tǒng)PID控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,。
1 PWM控制技術(shù)
    脈沖寬度調(diào)制技術(shù)簡稱PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)，就是用脈沖寬度調(diào)制的方法,，把恒定的直流電源電壓調(diào)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(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[3],。由其基本原理可知,，一段時間內(nèi)加在負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)加在負(fù)載上沖量相等的直流電壓等效，那么在時間T內(nèi)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(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的[3],。由于PWM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,、調(diào)速范圍廣，所以應(yīng)用越來越廣泛,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方框圖
    根據(jù)設(shè)計(jì)需要,，構(gòu)建如圖1所示調(diào)速系統(tǒng)。

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

2.2 直流電機(jī)
    作為調(diào)速系統(tǒng)的被控對象，直流電機(jī)的選型很關(guān)鍵,。本系統(tǒng)選用了Mitsumi公司的m25n型永磁直流電機(jī),。該電機(jī)額定電壓5 V~12 V，空載電流僅有30 mA~55 mA,，輸出轉(zhuǎn)矩最大為35 mN/m,，最高轉(zhuǎn)速達(dá)8 000 r/min，被廣泛應(yīng)用于航空模型,、機(jī)器人,、玩具等領(lǐng)域，作為實(shí)驗(yàn)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(diào)速系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提,。本文選用L7809穩(wěn)壓芯片給直流電動機(jī)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(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V和9 V直流電,，負(fù)載可達(dá)1.5 A。采用這種供電方式,，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定,，對電機(jī)運(yùn)行無影響，能夠滿足系統(tǒng)要求,。
2.4 控制器設(shè)計(jì)
    控制器是系統(tǒng)的核心,，系統(tǒng)需要一個定時器、一個計(jì)數(shù)器來計(jì)算轉(zhuǎn)速,，兩個8位I/O口用以轉(zhuǎn)速顯示,。因此選用STC89C52單片機(jī)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(jì)數(shù)器、工作頻率12 MHz,、32個I/O口,，資源足夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。
2.5 驅(qū)動模塊硬件設(shè)計(jì)
    由于控制器的驅(qū)動能力僅有幾毫安,，不能直接控制電機(jī),，因此需要驅(qū)動電路來驅(qū)動直流電機(jī)。SGS公司生產(chǎn)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(qū)動電流可以達(dá)到2.5 A，可用來驅(qū)動繼電器,、線圈,、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載，因此選用L298能滿足系統(tǒng)需求,。
2.6 傳感器
    要構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋環(huán)就要借助速度傳感器,，因此選用了霍爾效應(yīng)傳感器?；魻杺鞲衅骼没魻栃?yīng),，在電機(jī)的軸上安裝一個磁性碼盤，傳感器表面接近磁場時便產(chǎn)生一個開關(guān)信號,，再將這個信號送入控制器進(jìn)行測速用來計(jì)算轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生的PWM輸出波形如圖4所示,。霍爾傳感器實(shí)時輸出波形如圖5所示,，由波形可看出轉(zhuǎn)速是很穩(wěn)定的,，經(jīng)計(jì)算其轉(zhuǎn)速為2 604 r/min，測量轉(zhuǎn)速2 640 r/min與其差別不大,是可以接受的,。

    本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制器,，基于PID控制算法，利用PWM技術(shù)完成了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的魯棒性,，設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。
參考文獻(xiàn)
[1] 李發(fā)海,，王巖.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2005.
[2] 張毅剛，彭喜媛.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,，2007.
[3] 賈玉英,，王臣.基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)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.