【WORD可复制编辑】基于 PID 算法的无刷直流电机速度控制系统设计.docVIP

/week114 基于 PID 算法的无刷直流电机速度控制系统设计 汲绍艳 中国农业大学机械电子工程，北京（100083） E-mail：sy_ji@163.com 摘 要：本文介绍了无刷直流电机调速以及 PID 调节，运用 AT89S52 单片机作为控制器实 现对电机的速度控制，利用 PID 算法实现速度闭环控制。阐述了系统的硬件组成和软件流 程，本系统实现了机器人的关键部位---驱动器的设计，解决了机器人的动力来源。 关键词：无刷直流电机，PID 算法，闭环控制 1. 引言 无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着一些电子产品的增多，无刷直 流电动机作为驱动器，其需要量迅速增加。无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器， 具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。驱动系统是智能机器的重要组成部分, 对 系统的性能和操作能力具有决定性的作用，在一般情况下, 智能机器驱动系统由驱动器和传 动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件, 用以产生运动和力; 传动系统将运动和 力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。 2. PID 调节 文献[1]速度闭环控制结构能够提高无刷直流电动机的速度调解范围和速度控制精度。在 开环形的驱动器的基础上，加上速度闭环，就形成了无刷直流电动机的闭环控制系统。在无 刷直流电动机闭环调速系统中，速度控制器的输出信号，用作脉宽调制器的控制信号，一般 将霍尔位置传感器的信号加以处理后，形成速度反馈信号。在电子数字计算机直接数字控制 系统中，PID 控制器是通过计算机 PID 控制算法程序实现的。PID 控制规律的实现，必须用 数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差分代替微分，使 PID 算法 离散化，将描述连续-时间 PID 算法的微分方程，变为描述离散-时间 PID 算法的差分方程， 如图 1 所示： 输入  ＋ +  e  PID 位置算法  受控源 - 图 1 位置式 PID 控制算法的简化示意图 U (t)?? Kp[e(t??  1 T1  de(t) dt  （1） 考虑式（1），用矩形积分时，有： KI?? KD?? -1- K pTs TI K pTD Ts /week114 1 t TI 0  Ts Ti  ∑kj?0 e( j)  （2） 用差分代替微分 TD T dt Ts  （3） 将式（2）、（3）代入式（1），PID 算法变为： Ti j?0 Ts k T  (4) u（k）——第 k 个采样时刻的控制； KP——比例放大系数； KI——积分放大系数； KD——微分放大系数； TS——采样周期 式（4）是数字 PID 算法的非递推形式，称全量算法。算法中，为了求和，必须将系统 偏差的全部过去值 e（j）（j=1，2，3，... ，k）都存储起来。这种算法得出控制量的全量输 出 u（k），是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，例 如在阀门控制中，这种算法的输出对应了阀门的位置（开度）。所以，将这种算法称为“位 置算法”由于用（4）式直接进行控制很不方便为此做一下的改动： U (k??1)?? K p{E(k??1)??  ∑ E(i)?? D [E(k?? 1)?? E(k?? 2)]} T 从而可得： U (k )?? U (k??1)?? Kp[E (k )?? E(k??1)]?? KIE(k )?? KD[E (k )?? 2E(k?? 1)?? E(k?? 2)] KI?? Kp T TI 其中： KI?? Kp TD T 由上式可知要计算第 k 次输出的值 U(k)秩序求出U (k??1)、E(k)、E(k?? 1)、E(k?? 2) 即可。 3. 硬件电路设计 智能机器人驱动系统（无刷直流电动机）的硬件由：控制部分，驱动部分，无刷直流电 机，反馈部分构成。其总体硬件系统的框图如图 2 所示： -2- /week114 电机驱 单 片 动  无 刷 机 D/A 转换 直 流 电 动 机 反馈 图 2 硬件总体框图 以 MC33035 为核心构成的机器人驱动系统采用 PWM 方式控制电机的转矩和转速，采 用电机内置的霍尔传感器检测转子位置，由 MC33035 接受霍尔传感器的位置信号，并对其 进行译码，以决定由哪个电极换相。以 POWER MOSFET 集成电路 MPM3003 作为逆变器， 采用三相全桥驱动。微机控制部分采用 AT89S52 单片机，它可实现对电机启停、制动、转 向、相位选择以及速度的控制。整个系统采用闭环控制，结构简单、可靠性高，系统结构如 图 3 所示。