基于89C52单片机直流电机控制器设计
【摘要】本论文介绍了基于89C52单片机的小功率直流电机控制系统。该系统主要功能
为：设定直流电机的转速和转向，通过光电开关对电机测速，将测得的转速值反馈给单片机，单片机经PI运算后输出PWM信号控制电机运转。实际测试结果表明该系统的转速误差范围小(〒20圈/分)，调整时间短，转速设定方便快捷，显示直观清楚。本文还对此系统的性能指标进行了分析。
【关键词】直流电机，PWM，PID
1.前言
由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。
现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。
与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片
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机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
1.1 有关技术简介
1.1.1 PWM控制[1]
PWM（Pulse Width Modulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。
一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此，本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。
1.1.2 PID调节[1]
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较
和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理
论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。PID是周期性地控制操作。假定控制器的执行频率足够高，以使系统得到真确控制。误差信号是通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得的。误差的符号表明控制输入所需的变化方向。 （一） P项（比例）
由误差信号乘以一个P增益因子形成，使PID控制响应为误差幅值的函数。当误差信号增大时，控制器的P项将变大以提供更大的校正量。 （二） I项（积分）
对全部误差信号进行连续积分。因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。
累计误差信号乘以一个I增益因子即成为PID控制器的I输出项。 （三） D项（微分）
D项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。该误差乘以一个D项增益因子即成为D输出项。系统误差变化的越快，控制器的D项将产生更大的控制输出。 PID控制具有以下优点：
应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
PID调节中参数的选择方法：
在数字PID控制中，如果采样周期选得比较小，则PID控制参数Kp、Ki和K D可按模拟PID控制器中的方法来选择。
在对电动机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。另外，控制变量不宜过大，以避免系统过载。显然，上述要求要都满足是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，抓主要方面，兼顾其他方面。
在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。对于电动机控制系统，一般常用PI或PID控制器接口，以保证被控系统的稳定，并尽可能清楚静态误差。
PID参数的选择有两种可用方法：理论设计法和试验确定发。理论设计法确定PID控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，着在电动机控制中往往很难做到。因此，用下列试验确定法来选择PID控制参数，就成为目前经常采用的，并且是行之有效的方法。
凑试法
凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。凑试前，要先了解PID控制器参数值对系统的响应有哪些影响。
增大比例系数Kp ，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。
增大积分常数Ki ，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。
增大微分常数K D ，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。
在考虑了以上参数对控制过程的影响后，凑试时，可按先比例—后积分—再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下：
首先只调节比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，知道得到响应快，超调量小的响应曲线为止。如果这时系统的静态误差已在允许范围内，并且达到1/4衰