PID算法在无刷直流电机调速电路中的应用

模糊PID控制在直流无刷电机控制系统中的应用管于球（中南大学信息科学与工程学院控制工程系，长沙410075）摘要：本文根据直流无刷电机控制系统是多变量、时变和非线性等的复杂系统的特点以及简单PID控制性能的缺点，提出了改进方案，电机控制系统的速度环采用参数自整定模糊PID控制，建立了仿真模型。

将该控制方案的仿真结果与简单PID 控制的仿真结果相比较可得，模糊PID控制在抗负载扰动能力和启动转速超调方面具有明显的优越性，有效地满足了用户对直流无刷电机控制系统高性能的要求。

关键词：直流无刷电机，矢量控制，空间矢量脉宽调制，PID控制，模糊控制中图分类号：TK52 文献标识码：AAbstract: For not only the problem that the brushless direct current motor control system is a complex system with multi-variable, time-variability and non-linear, but also the shortcomings of simple PID control performance, the essay proposes an improved program. Parameter self-tuning fuzzy-PID control method is used for the speed loop of the motor control system, and the results are researched and analyzed deeply. Compared with the simulation result of this control program and that of simple PID, Parameter self-tuning fuzzy-PID control has strong ability of anti-load disturbance and provides small location overshoot, basically satisfying the high performance requirement of brushless direct current motor.KEY WORDS：BLDCM, vector control, SVPWM, PID control, fuzzy-control1 引言随着经济的快速发展，人们对汽车的需求不断增加，但是由于能源和环境问题，从而赋予电动汽车广阔的发展空间。

调速原理对于星形连接的三相无刷直流电机，在理想条件下，任何时刻只有两相定子绕组通电。

令加在两相通电绕组上的平均电压为Vd，则电压平衡方程式为[31]：（3.1）可以得到转速为：（3.2）式中：Em为电机各相反电动势；Im为各相相电流；n为无刷直流电机转速；R为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降的等效电阻。

由式（3.2）可知，无刷直流电机的转速调节可以通过改变外施平均电压Vd来实现。

3-4-2电枢电压的调节方法改变电枢电压是直流调速的主要方法。

本系统采用PWM（脉宽调制）调速方式，通过调节逆变器功率器件的PWM触发信号的占空比来改变外施的平均电压Vd，从而实现无刷直流电机的调速。

PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。

单极性PWM控制的控制信号如图3.4所示，在每个60°电角度的区域内，一个功率开关器件一直处于开通状态，另一个处于PWM状态；双极性PWM控制的控制信号如图3.5所示，在每个60°电角度区域内，两个工作的功率管器件或者都开通，或者都关断。

图3.4单极性PWM控制各触发信号图3.5双极性PWM控制各触发信号Fig.3.4Trigger signal of single polarity PWM Fig.3.5Trigger signal of double polarity PWM一般情况来说，采用单极性PWM控制的电流波动最大值只有采用双极性PWM控制的电流波动最大值的一半[32][33]，因此为了减小电流脉动和功率管的开关损耗，本电机控制系统采用单极性的PWM控制技术。

3-4-3 PWM波的产生在传统的单片机控制系统中，PWM波的产生需要专门的发生电路和时间延时（死区）电路，增加了CPU的开销，并降低了系统的稳定性。

而TMS320F2812的PWM电路设计可以减少产生PWM波形的CPU开销和减少用户的工作量，同时能尽量减小功率开关器件的损耗，降低电动机转矩脉动性。

无刷直流电机的调速与控制技术随着科技的发展，电动机在各个领域的应用越来越广泛。

而无刷直流电机作为一种高效、可靠的电机，在许多领域得到了广泛的应用。

无刷直流电机的调速与控制技术是保证电机运行稳定性和提高其性能的重要一环。

一、无刷直流电机的工作原理无刷直流电机是一种基于电磁感应原理工作的电动机。

其核心部件是电机转子上的永磁体，通过感应电流产生的磁场与定子线圈产生的磁场相互作用，从而实现电机的运转。

相比于传统的有刷直流电机，无刷直流电机省去了电刷与换向器件，因此具有更高的效率和更长的寿命。

二、无刷直流电机的调速方法无刷直流电机的调速方法主要包括电压控制调速和电流控制调速两种。

1. 电压控制调速电压控制调速是通过改变电压的大小来控制电机的转速。

在实际应用中，最常见的方式是采用PWM (Pulse Width Modulation) 调制技术。

PWM技术通过调整电压的占空比，使得电机在一个固定的周期内以不同的占空比工作，从而实现不同的转速。

这种方法简单易行，但是对于大功率的无刷直流电机，其调速范围较窄。

2. 电流控制调速电流控制调速是通过改变电机定子线圈的电流来控制电机的转速。

常见的控制方法有开环控制和闭环控制。

开环电流控制是在电机定子线圈中加回馈电阻，通过改变反馈电阻的大小来调整电流。

这种方法结构简单，控制参数易调，但是系统稳定性较差，无法适应负载的变化。

闭环电流控制是在开环控制的基础上加入反馈环节，通过传感器测量电机的电流，并与设定的电流进行比较，通过PID控制算法来调整控制器输出的电压，从而控制电机的转速。

这种方法可以提高系统的稳定性和动态响应性能，适用于对转速精度和系统稳定性要求较高的应用。

三、无刷直流电机的控制技术无刷直流电机的控制技术是实现电机调速的重要手段之一。

根据不同的应用场景和需求，可以选择不同的控制方法。

1. 速度控制速度控制是无刷直流电机最基本的控制方式。

通过改变电机的输入提速，可以控制电机的转速。

模糊自适应PID控制器在无刷直流电机控制系统中的应用孙佃升1白连平2（1.滨州学院自动化系，滨州，256601）（2.北京机械工业学院自动化系北京 100085）摘要：无刷直流电机是一种多变量、非线性的控制系统，采用经典的PID控制难以达到满意的控制效果。

本文将模糊自适应PID控制器应用于无刷直流电机的控制中，运用模糊控制原理对PID参数进行在线调整。

实验结果表明，较之传统的PID控制，采用模糊自适应PID控制的无刷直流电机控制系统具有更好的动态和静态性能，达到了较好的控制效果。

关键词：无刷直流电机；模糊PID；自适应控制；参数自整定The Application of Fuzzy Adaptive PID Controllerfor Control System of BLDCMSUN Dian-sheng 1BAI Lian-ping 2(1.Department of Automatization, Binzhou College, Binzhou，256600,China)(2.Department of Automatization, Beijing Information Science&Technology University,Beijing,100085,China)ABSTRACT: As brushless DC motor (BLDCM) is a multi-variable and non-linear system, using conventional PID control can not obtaion satisfied control effect. This paper introduce the application of fuzzy adaptive PID controller for control system of BLDCM and parameters self-tuning online by employing Fuzzy control principle. The experiments illustrate that excellent static and dynamic performance compared with the conventional PID control.KEY WORDS: Brushless DC Motor(BLDCM); Fuzzy PLD; adaptive control; parameter self-tuning1 引言无刷直流电机既有优良的调速性能，又克服了有刷直流电机机械换向带来的诸多问题，在各个领域获得了广泛的应用。

－７８－基于模糊自适应ＰＩＤ控制的永磁无刷直流电动机调速系统设计戚鹏（安徽建筑工业学院电子与信息工程学院，安徽合肥２３０６０１）引言永磁无刷直流电机在工业中应用十分普遍。

工业的发展要求电机精度更高、速度更快、效率更高，因此电机调速系统至关重要。

电机调速系统最常用的方法是双闭环ＰＩＤ控制器，但该方法存在参数不能随着被控对象的变化而作相应的调整的缺点，当参数变化时，ＰＩＤ控制器的参数不能随着被控对象的变化而作相应的调整。

模糊自适应ＰＩＤ控制将模糊控制理论运用在控制过程中，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息（如评价指标、初始ＰＩＤ参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输入条件）、运用模糊推理，即可自动实现对ＰＩＤ参数的最佳调整。

本文提出了一种基于模糊自适应ＰＩＤ控制的无刷直流电机调速系统，对调速系统的设计方法进行了研究，并利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行了仿真，表明该控制方法可以达到很好的控制效果。

１模糊自适应ＰＩＤ控制系统的设计模糊自适应ＰＩＤ控制系统的设计步骤如下：控制器的输入变量取速度反馈值和给定转速值的误差ｅ、误差的变化Δｅ，输出变量取经过调整后的ＰＩＤ的三个参量ｋｐ、ｋｉ、ｋｄ。

论域取为［－６，６］，模糊语言变量选择７个：ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ。

解模糊方法为重心法，模糊推理方法为Ｍａｍｄａｎｉ型。

各参量的隶属函数图如１，２。

对ｋｐ、ｋｉ、ｋｄ分别进行整定，三者各自的模糊控制规则表如表１，２，３所示。

表１ｋｐ的模糊控制规则表表２ｋｉ的模糊控制规则表表３ｋｄ的模糊控制规则表２仿真结果本文采用的电机参数为：ＵＮ＝２２０Ｖ，ＩＮ＝１３６Ａ，ωＮ＝１４６０ｒ／ｍｉｎ，Ｃｅ＝０．１３２／Ｖ／（ｒ・ｍｉｎ），电枢回路总电阻Ｒ＝０．５Ω，电枢电感Ｌ＝０．０１５Ｈ，电流反馈系数β＝０．０５，转速反馈系数α＝０．００７。

采用ＭＡＴＬＡＢ对永磁无刷直流电机的调速系统进行仿真，在转速环用模糊自适应ＰＩＤ控制，通过模糊自适应ＰＩＤ控制器的实时调整功能在线改变ＰＩＤ的参数，电流环仍采用ＰＩ控制。

无刷电机控制系统中的PID参数调整方法研究无刷电机在许多领域中得到广泛应用，如无人机、电动汽车、机器人等。

PID 控制器是无刷电机控制系统中常用的控制算法，通过调整PID参数可以改善系统的性能，提高系统的稳定性和响应速度。

本文将研究无刷电机控制系统中常用的PID参数调整方法，并分析其优缺点。

PID控制器是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成的。

比例部分根据当前误差进行控制，积分部分根据误差的积累进行控制，微分部分根据误差的变化率进行控制。

通过调整PID参数，可以优化系统的响应速度、稳定性和抗干扰能力。

常见的PID参数调整方法包括经验法、Ziegler-Nichols法、模糊PID法和自适应PID法等。

这些方法各有优劣，下面将对其进行详细介绍。

1. 经验法：经验法是最简单直观的PID参数调整方法之一。

根据经验选择合适的PID参数，通过实际试验进行调整。

这种方法适用于简单的控制系统，但对于复杂的系统往往效果不佳。

2. Ziegler-Nichols法：Ziegler-Nichols法是PID参数调整中的一种基本方法，通过系统的临界增益和临界周期来确定PID参数。

该方法适用于一阶和二阶系统，对于高阶系统不太适用。

此外，该方法在实际应用中容易产生非理想的过冲和震荡现象。

3. 模糊PID法：模糊PID方法是一种智能控制方法，结合了模糊控制和PID控制的优点。

通过模糊控制的模糊推理和PID控制的调整能力，能够有效克服传统PID方法的一些不足之处。

该方法能够适应不确定性较强的控制系统，但需要较为复杂的算法和较大的计算量。

4. 自适应PID法：自适应PID方法是根据系统的实时状态和参数变化来自适应调整PID参数的方法。

该方法能够实时调整PID参数，适应系统的变化。

例如，在电动汽车中，其电池的电压和电流变化较大，需要根据实际情况调整PID参数。

尽管自适应PID方法能够提高系统的稳定性和适应性，但相对于其他方法，其设计和实现较为复杂。

基于无刷直流电动机调速系统的混合模糊PID控制0 引言无刷直流电动机(BLDCM)结构简单、运行可靠、没有火花、电磁噪声低，广泛应用于航空航天、机器人、交通、煤矿自动化和工业自动化等领域。

传统的调速系统为PID模拟控制系统，结构简单，但是其控制要想达到很好的控制效果必须调整好P、I、D三者之间的关系，但是这种关系又不是简单的线性关系，而模糊控制具有很强的非线性映射功能，可是简单实用的模糊控制器又难以达到较高的控制精度。

若要综合两种优势，则需要将模糊控制与PID控制结合在一起，本文在模糊控制与PID控制相结合的智能控制方法基础上，增加一个模糊变积分环节，控制器的输出为两分量之和，这样既能保留经典控制器的特性，又能增加模糊控制器快速响应的特点，完善了传统的PID控制。

仿真实验表明，这种方法具有比单纯的模糊PID方法更好的动、静态性能，并提高了系统的鲁棒性，系统取得了较好的控制效果。

1 无刷直流电动机的数学模型定子绕组产生的电磁转矩为由式(2)可以看出，BLDCM电磁转矩公式与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制电磁转矩。

为产生恒定电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，两者应严格同步。

运动方程为式中：Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B阻尼系数;ω为电机机械转速：J电机的转动惯量。

2 控制方法设计2.1 模糊PI智能控制方案传统BLDCM调速系统应用的是单纯的PID控制器，其动态抗扰性能较差，故文献进一步改进了PID控制器，在速度环中将模糊控制器和PID控制器复合控制，成为二维模糊控制，构成新型调速控制系统，这种控制器的优点是综合了PID和模糊控制的优点，并且控制智能化，但是这种结构的缺点就是存在着切换“毛刺”。

1983年W.L.Bialkowski提出了混合型模糊PID控制器：在二维模糊控制器的基础上叠加常规积分控制器，将模糊控制器的输出与积分控制器的输出相叠加作为混合型控制器的总输出，此种控制器的优点是可以消除极限环振荡，也可消除误差，但是不足是积分控制器的参数相对固定，不能满足自适应调节，为了取得更好的控制效果，可将控制器改进，结构如图1。

数字PID在直流电机控制中的研究与应用摘要：本文主要研究的是数字PID控制技术在运动控制领域中的应用。

众所周知，运动控制系统最主要的控制对象是电机，在生产过程特别是核电无损检测设备上，电机的运行状态要满足现场检测需求，对电机运动精度的控制起着至关重要的作用。

因此下面利用PID控制技术对直流电机运动控制进行简单的分析和研究。

关键字：数字PID、运动控制、直流电机1.引言：在核电站无损检测设备的运动过程中，高效的调节PID参数可以提高设备运行的可靠性和稳定性。

在传统的模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中由于现场环境的不确定性，使系统很难达到最佳的控制效果。

因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。

随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。

2.运动控制系统概述运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制和管理，使其在各自驱动装置的作用下，按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。

在核电检测设备中所采用的一个最基本的控制系统如图1所示。

该运动控制系统主要由电机，驱动器，编码器，运动控制器和控制电脑组成，其中运动控制器作为伺服控制系统的智能元件，对整个系统起主导作用。

3.PID 控制原理 控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。

目前提出的控制算法有很多。

根据偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）进行的控制，称为PID 控制。

实际经验和理论分析都表明，PID 控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。

3.1模拟PID在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID 控制，常规PID 控制系统原理框图如图2所示，系统由模拟PID 调节器、执行机构及控制对象组成。

数字PID算法与PWM在直流电机调速中的应用摘要详细论述数字PID算法与其在直流电机调速中的应用,PID控制是一种相当成熟的控制方法,原理简单,控制效果好,容易实现,所以广泛的应用于各种工程当中。

介绍数字PID算法配合PWM脉宽调制技术实现对直流电机的平滑调速。

关键词数字PID;PWM脉宽调制;A VR单片机0引言在转速算法设计中可供选择的算法有经典PID算法,神经网络算法,前馈控制算法。

PID算法的优点是算法理论成熟,不要求有精确的被控对象数学模型。

所以采用PID算法可以极大地减少建模工作,而将工作重点转移到PID控制参数的整定上来。

并且有非常成熟的参数整定方法可用。

PID控制算法的性能稳定可靠,开发风险小。

由于计算机技术和微处理器的飞速发展,现代控制越来越倾向于采用数字化的方式来实现,数字PID算法配合PWM脉宽调制技术可以实现对直流电机进行平滑调速,本文采用A VR单片机输出PWM波,直接对直流电机进行速度控制。

1数字PID算法系统框图:模拟PID调节器:;(1)数字PID调节器:数字PID调节器就是通过微处理器,这里采用A VR单片机对测速传感器采集的信息量进行量化处理,采样频率满足香农采样定理:,即:,对(1)进行量化(也可采用Z变换,这里用时域量化更容易说明问题)得:(2)K为采样的次数,Tsam为单片机采样周期,Kp,Ki,Kd,分别为比例,积分,微分的调节系数,这三个系数和PID调节器的性能指标息息相关,比例系数越大,响应速度越快,但比例系数太大将会影响被控过程的稳定性;积分时间越小,积分作用就越明显,加快偏差的调节速度,但如果积分时间过小,将会产生振荡,影响控制质量;微分调节是具有预测性质的调节部分,它通过检测量的变化率来施加控制,在数字PD中,它根据微处理器前后两次对偏差信号抽样值的差来产生相应的控制信号,在较小的微分时间下,可以加快响应速度,减小超调量,可以提高控制品质,但在较大的微分时间常数下,会对噪声进行放大,产生振荡,影响控制质量,所以如何选择这三个参数要综合被控对象的特性和控制目的、要求来考虑。

无刷直流电动机调速算法的讨论首先是PID调速算法。

PID调速算法是最常用的调速算法之一、PID控制器根据误差信号、误差积分和误差变化率三者来控制输出。

PID控制的优点是调节简单、响应快速，但是在传统PID调速算法存在固有的缺陷，比如调节过程中可能出现超调现象，调节过程需要经验来调整参数，对调节对象参数变化敏感等。

因此，若要在无刷直流电动机的调速过程中应用PID算法，需要进行优化和改进。

其次是模糊控制调速算法。

模糊控制是一种基于经验规则的控制方法，可以针对不确定系统进行控制。

模糊控制调速算法可以解决传统PID算法中的一些问题，比如无需事先确定数学模型、处理非线性等。

模糊控制器的输出是模糊集合，通过模糊控制规则对输出进行映射。

然而，模糊控制器的设计需要依赖人工经验，对模糊规则的构建和系统的建模存在一定困难，也不易进行参数调节。

最后是变结构控制调速算法。

变结构控制是通过将控制对象划分为不同的状态，对每个状态进行不同的控制方式。

无刷直流电动机调速可以看作是有多个不同工作区间的连续状态控制过程，变结构控制算法恰好适用于这种场景。

变结构控制算法可以提供良好的鲁棒性和适应性，能够对参数变化和负载干扰进行自适应调节，且不依赖系统的数学模型。

但是变结构控制算法的实现较为复杂，需要对控制逻辑和各个区间参数进行设计和调整。

除了上述几种常用的调速算法外，还有一些其他的调速算法，如神经网络调速算法、模型预测控制调速算法等。

这些算法在实际应用中也有成效，但是对于无刷直流电动机的调速仍然存在一些问题，如计算量大、参数调整困难等。

总之，无刷直流电动机的调速算法是一个研究热点，不同的调速算法各有优缺点，适用于不同的应用场景。

在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的调速算法，并通过优化和改进来使调速过程更加稳定、快速和准确。

同时，未来的研究方向可以探索新的调速算法和控制策略，提高调速性能和控制效果。

PID闭环速度调节器采用比例积分微分控制闭环速度调节器采用比例积分微分控制（简称PID控制），其输出是输入的比例、积分和微分的函数。

PID调节器控制结构简单，参数容易整定，不必求出被控对象的数学模型，因此PID 调节器得到了广泛的应用。

PID调节器虽然易于使用，但在设计、调试无刷直流电机控制器的过程中应注意：PID调节器易受干扰、采样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作用。

所以，在不影响控制精度的前提下对PID控制算法加以改进，关系到整个无刷直流电机控制器设计的成败。

2速度设定值和电机转速的获取为在单片机中实现PID调节，需要得到电机速度设定值（通过A／D变换器）和电机的实际转速，这需要通过精心的设计才能完成。

无刷直流电机的实际转速可通过测量转子位置传感器（通常是霍尔传感器）信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器可以得到如图2所示的周期信号。

由图2可知，电机每转一圈，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，且其周期与电机转速成反比，因此可以利用霍尔传感器信号得到电机的实际转速。

为尽可能缩短一次速度采样的时间，可测得任意一相霍尔传感器的一个正脉冲的宽度，则电机的实际转速为：但由于利用霍尔传感器信号测速，所以测量电机转速时的采样周期是变化的，低速时采样周期要长些，这影响了PID 调节器的输出，导致电机低速时的动态特性变差。

解决的办法是将三相霍尔传感器信号相“与”，产生3倍于一相霍尔传感器信号频率的倍频信号，这样可缩短一次速度采样的时间，但得增加额外的硬件开销。

直接利用霍尔传感器信号测速虽然方便易行，但这种测速方法对霍尔传感器在电机定子圆周上的定位有较严格的要求，当霍尔传感器在电机定子圆周上定位有误差时，相邻2个正脉冲的宽度不一致，会导致较大的测速误差，影响PID调节器的调节性能。

若对测速精度要求较高时，可采用增量式光电码盘，但同样会增加了电路的复杂性和硬件的开销。

电机速度设定值可以通过一定范围内的电压来表示。

数字pid算法在无刷直流电机控制器中的应用数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用1. 简介在现代工业自动化领域，无刷直流电机控制器的应用越来越广泛。

无刷直流电机具有高效率、低噪音、高转速等优点，因此被广泛应用于航空航天、汽车制造、工业生产等领域。

为了更好地控制无刷直流电机，数字PID算法成为一种常用的控制策略。

本文将从深度和广度两方面对数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用进行全面评估，并撰写一个有价值的文章，消除读者对该主题的疑惑。

2. 无刷直流电机的特点无刷直流电机相比传统的有刷直流电机具有许多优点。

无刷直流电机不需要使用碳刷与旋转子进行直接的电气连接，因此摩擦损耗小，效率高，寿命长。

无刷直流电机没有碳刷产生的火花，噪音小，适用于对噪音要求严格的场合，比如医疗设备和办公自动化设备。

另外，由于无刷直流电机可以直接对转子进行控制，使得其具有响应速度快、调速范围宽等优点。

在众多领域中都有广泛的应用。

3. 数字PID算法原理PID控制算法是一种经典的控制策略，由比例环节、积分环节和微分环节组成。

在数字PID算法中，通过采样输入信号和输出信号，利用计算机进行离散化处理，根据离散化的输入信号和输出信号计算控制量，从而对系统进行控制。

数字PID算法通过不断地调节比例系数、积分系数和微分系数，使系统的输出信号逐渐逼近或稳定在期望值。

数字PID算法可以在不同的系统中实现自动控制。

4. 数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用在无刷直流电机控制器中，数字PID算法可以实现精准的速度控制和位置控制。

通过对无刷直流电机的速度、位置信号进行采样，可以得到实时的转速和位置信息。

利用数字PID算法根据期望的转速和位置信息计算出控制量，通过PWM控制电路，驱动无刷直流电机旋转到期望的位置和转速。

数字PID算法可以根据实际反馈信号不断地调节控制量，使得无刷直流电机的转速和位置逐渐逼近或稳定在设定值，从而实现精准的控制。

调节PID控制算法在电动机控制中的应用研究电动机控制是一个重要的技术领域，其中PID控制算法是一个主流的控制方法。

在电动机控制中，PID控制算法可以用来调节电机的转速、位置、力矩等参数，实现精确控制。

本文将以调节PID控制算法在电动机控制中的应用为主题，分别从PID调节器的结构、PID调节器参数的选择和PID控制算法在电动机控制中的应用三个方面进行论述。

一、PID调节器的结构调节器是产生调节控制作用的元件。

调节器的种类繁多，但在电动机控制中，PID调节器是应用最广泛的一种调节器。

PID调节器是由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制器组合而成。

其中比例控制器根据误差大小进行控制，积分控制器根据误差累积值进行控制，而微分控制器根据误差变化值进行控制。

三者结合起来，可以充分利用各自的优点，实现精确控制。

如图1所示，为PID调节器的结构示意图。

图1 PID调节器的结构示意图二、PID调节器参数的选择在进行PID控制算法调节时，需要设定PID调节器的比例系数kp、积分时间ti 和微分时间td。

这些参数的选择可以影响控制系统的响应时间、过冲量和稳定性等方面。

比例系数kp是表示控制器输出量和误差量之间线性比例关系的系数。

通常情况下，kp的值越大，控制器的输出量变化越快，但同时也会导致系统的不稳定，如图2所示。

因此，在选择kp时需要考虑控制系统的灵敏性和稳定性之间的平衡。

图2 kp值对系统稳定性的影响积分时间ti是表示误差量积分过程中所需时间的参数。

当kp值越大时，积分时间应当设为越小，以避免系统的超调现象。

但同时，过小的积分时间也会导致系统的抖动和不稳定性。

微分时间td是表示误差量微分过程中所需时间的参数。

当系统存在着快速变化的干扰时，微分时间应当设为越小。

但若微分时间太大，会导致系统过分灵敏，从而反而会造成不必要的振荡。

评价PID控制器好坏的指标有：稳态误差、动态性能和抗干扰能力等。

因此，在选择PID调节器的参数时，需要考虑这些指标间的平衡关系。

基于PID控制的直流电机调速系统1绪论1.1本课程的选题背景PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。

它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。

特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。

在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。

由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。

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，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，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，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。

随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。

计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。

整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。

抗饱和PID在无刷直流电机调速系统中的应用摘要在运动控制系统中，电机转速控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID 控制器难以获得满意的控制效果。

随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID 技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。

本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。

同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。

在系统中采128×64LCD显示器作为显示部件，通过4×4键盘设置P、I、D、V四个参数和正反转控制，启动后可以通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。

该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。

关键词：数字PID；PWM脉冲；占空比；无静差调节In the motion control system,the control of electromotor's rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and it's easy to meet normal control's demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID's control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now.This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core,the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machine's rotate speed.Meanwhile,the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed's closed loop control to attain the purpose of rotate speed's astatic modulation.In this system, the 128×64LCD is used as display unit , the 4×4 keyboard sets those four parameters P、I、D、V and obverse and reverse control,after starting up,the display unit shows the electromotor's current rotate speed and runtime.The system has great control precision and anti-jamming capability.Keywords：digital PID；PWM impulse；dutyfactor；astatic modulation摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)前言 (1)1PID算法及PWM控制技术简介 (7)1.1PID算法 (7)1.2P W M脉冲控制技术 (12)2设计方案与论证 (15)2.1系统设计方案 (15)2.2控制器模块设计方案 (16)2.3电机驱动模块设计方案 (17)2.4速度采集模块设计方案 (17)2.5显示模块设计方案 (18)2.6键盘模块设计方案 (18)2.7电源模块设计方案 (19)3单元电路设计 (19)3.1硬件资源分配 (19)3.2电源电路设计 (20)3.3电机驱动电路设计 (20)3.4电机速度采集电路设计 (21)3.5显示电路设计 (22)3.6键盘电路设计 (23)4软件设计 (24)4.1算法实现 (24)4.2程序流程 (25)4.3系统Proteus仿真 (30)5系统测试与分析 (31)结论 (34)参考文献 (35)附录Ⅰ部分源程序 (36)附录Ⅱ系统原理图 (52)附录ⅢPCB图 (54)附录Ⅳ元件清单 (57)致谢 (58)前言21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。