摘 要： 介紹了基于PID單閉環直流調速系統的設計方法。系統選用STC89C52單片機為控制器，并在此基礎上完成了硬件設計。利用脈寬調制技術，解決直流調速系統中調節時間長、抗干擾能力差等問題，實現了對直流電機速度的控制。實驗結果表明，該系統具有良好的動靜態性能，對負載的變化具有較強的魯棒性。
關鍵詞： 脈寬調制；直流電動機；PID
直流電機具有調速范圍廣、易于平滑調速、啟動/制動和過載轉矩大、易于控制、可靠性高等特點，因此被廣泛應用于對調速性能要求較高的傳動系統中[1]。但是開環控制抗干擾能力差，響應時間長。伴隨著單片機技術的快速發展以及單片機自身具有體積小、抗干擾能力強、控制靈活、應用方便、價格低廉等諸多優點[2]，選用單片機作為控制器實現直流電機閉環調速是一種較為理想的選擇。PID控制具有原理簡單、易于實現、魯棒性強等特點，并且在工業控制中得到廣泛的運用。本文選用單片機為控制器，采用傳統PID控制規律實現對直流電機轉速的控制。
1 PWM控制技術
脈沖寬度調制技術簡稱PWM(Pulse Width Modulation)技術，就是用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速[3]。由其基本原理可知，一段時間內加在負載兩端的PWM脈沖與相等時間內加在負載上沖量相等的直流電壓等效，那么在時間T內脈沖寬度為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?琢來實現，從而達到利用PWM控制技術實現對直流電機轉速進行調節的目的[3]。由于PWM系統結構簡單、調速范圍廣，所以應用越來越廣泛。
2 系統硬件設計
2.1 系統方框圖
根據設計需要，構建如圖1所示調速系統。
系統的主電路主要由電源模塊、控制器、驅動放大模塊、測量反饋、實時顯示模塊構成。其中電源模塊一方面實現對控制器單片機系統提供直流電源，同時為驅動模塊提供電源；測量反饋實現對直流電機的測速同時反饋給控制器作為輸入信號；顯示模塊實現人機交互，更好地反映了直流電機的速度變化過程。系統原理圖如圖2所示。
2.2 直流電機
作為調速系統的被控對象，直流電機的選型很關鍵。本系統選用了Mitsumi公司的m25n型永磁直流電機。該電機額定電壓5 V~12 V，空載電流僅有30 mA~55 mA，輸出轉矩最大為35 mN/m，最高轉速達8 000 r/min，被廣泛應用于航空模型、機器人、玩具等領域，作為實驗研究很有代表性。
2.3 電源模塊
穩定的工作電源是保證調速系統安全穩定運行的重要前提。本文選用L7809穩壓芯片給直流電動機供電，用L7805穩壓芯片給控制器和傳感器供電。可將12 V直流電源轉換為穩定的5 V和9 V直流電，負載可達1.5 A。采用這種供電方式，單片機和傳感器工作穩定，對電機運行無影響，能夠滿足系統要求。
2.4 控制器設計
控制器是系統的核心，系統需要一個定時器、一個計數器來計算轉速，兩個8位I/O口用以轉速顯示。因此選用STC89C52單片機為核心控制器，它具有4 KB EEPROM存儲器、512 B RAM、2個16位定時器/計數器、工作頻率12 MHz、32個I/O口，資源足夠滿足系統設計需要。
2.5 驅動模塊硬件設計
由于控制器的驅動能力僅有幾毫安，不能直接控制電機，因此需要驅動電路來驅動直流電機。SGS公司生產的L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成放大電路，最大驅動電流可以達到2.5 A，可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載，因此選用L298能滿足系統需求。
2.6 傳感器
要構成轉速反饋環就要借助速度傳感器，因此選用了霍爾效應傳感器。霍爾傳感器利用霍爾效應，在電機的軸上安裝一個磁性碼盤，傳感器表面接近磁場時便產生一個開關信號，再將這個信號送入控制器進行測速用來計算轉速。這是一種數字測速方法，原理簡單，性能可靠，省去了模擬測量中的A/D轉換，節省了控制器資源。
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
控制器產生的PWM輸出波形如圖4所示。霍爾傳感器實時輸出波形如圖5所示，由波形可看出轉速是很穩定的，經計算其轉速為2 604 r/min，測量轉速2 640 r/min與其差別不大,是可以接受的。
本設計以單片機為控制器，基于PID控制算法，利用PWM技術完成了直流電機調速控制系統設計。該系統結構簡單，實驗表明，系統性能可靠，能克服較大的擾動，且具有良好的動、靜態性能和較強的魯棒性，設計方案切實可行。
參考文獻
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