电机驱动及PID算法

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Um=乙 '展" 令'、=D，称矩TT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、直流电机的正反转控制电路即能改变电机旋转方向；方案之一是使用直改变加给电枢的直流电压极性，流继电器来改变供电

2、极性，另一种方案使用两组晶体三极管构成切换电路，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 tTi导通TT2导通；C=1 TT3截上tT4截上；丁是电流ii流经由机M的路径为：UcctM tT2T地，电机正转若A=0（低电平）：则B=1 tTi截上tT2截上；C=0 TT3导通tT4导通；丁是电流i2的流径电机M的路径为：UcctT3T M tT4T地，电机反转其工作原理简述如下：当A=1 : WJ B=0 tTi截上 tT2导通C=1 T T4导通T T3截上丁是电流i流径电机M的路径为：VcctT2TM tD2TT4T地，电机正转当A=0 : 则B=1 t T

3、1导通 tT2截上C=0 TT4截上 TT3导通丁是电流i2流径电机M的路径为：VcctT3TM tDtTt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

4、图是使用通用运放整形的一个例子。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（比例一积分一微分）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。数字PID控制常常采用增量PID算法，表达式如下：y(k)=y(k-1)

5、+ 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)=kpe(k)-e(k-1)+ki e(k)+kDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中：kp比例系数ki积分系数kD一微分系数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(采样值与设定值之差)上式中有kp ki Kd 3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)=kp2.45e(k)-3.5e(k-1

6、)+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(T %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)的白分数。C max -C (°°)C(二)X100%式中C(8 )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tso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: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 T 8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。0.5Cmaxtd tr tp1六、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