基于PID控制算法的电机速度闭环控制设计

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基于模糊控制理论的PID闭环控制系统的研究与设计

作者：李强

来源：《现代电子技术》2015年第22期

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摘 要： 为了满足各种复杂控制任务，适应市场环境的千变万化，快速、准确及优质地完成各种工业控制要求，研究设计了一套基于模糊控制理论的PID闭环控制系统。系统设计以PID算法原理为基础，以数字化为实现方法，运用模糊控制理论，并实现控制系统的参数自整定。研究搭建相应的RC一阶电路硬件调试平台，通过相关软件设计，完成PID闭环控制器的调试，实现基于模糊控制理论的PID控制系统的相关功能，试验过程中使用高精度的AD/DA转换器确保系统的数字化精度要求，足以提升系统的适用性和有效性。实验表明，基于模糊控制理论的PID闭环控制系统能满足各种工业控制要求，具有较强的现实意义。

关键词： 自动控制； PID控制； 模糊控制； 参数整定； RC一阶电路； 闭环控制

中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）22⁃0131⁃04

0 引 言

随着科学技术的快速发展，最早以解决生产实践问题建立的工程控制理论在科学技术领域飞速发展，控制理论对生产力的发展、尖端技术的研究、尖端武器的研制及对非工程系统包括社会管理等方面均产生了重大的影响。因此，控制理论在它建立后的短时期内便迅速渗透到许多科学技术领域中。

各种工业技术高速发展的今天，工业自动化水平也日益提高。但在生产过程中，产品的质量受多因素的干扰而使自动化水平的优点逊色，包括PID控制理论在内的相关控制理论从此应运而生。目前，PID控制器已广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等领域，特别用于具有典型动态特性的温度、压力、液位、流量等工艺参数的控制，可达到良好的控制效果。目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型控制器。尽管各种新型控制器不断出现在控制领域，但由于PID控制算法的各种优点，如原理简单、使用方便、适应性强及鲁棒性强等，PID龙源期刊网

模板

本次设计主要研究的是PID控制技术在运动控制领域中的应用，纵所周知运动控制系统最主要的控制对象是电机，在不同的生产过程中，电机的运行状态要满足生产要求，其中电机速度的控制在占有至关重要的作用，因此本次设计主要是利用PID控制技术对直流电机转速的控制。其设计思路为：以AT89S51单片机为控制核心，产生占空比受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，构成转速闭环控制系统，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，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、人机交互模块。软件部分采用C语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易实现、修改及调试方便、易读等。

本次设计系统的主要特点：

（1）优化的软件算法，智能化的自动控制，误差补偿；

（2）使用光电传感器将电机转速转换为脉冲频率，比较精确的反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的；

（3）使用光电耦合器将主电路和控制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠；

（4）128×64LCD显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间；

（5）利用Proteus软件进行系统整体仿真，从而进一步验证电路和程序的正确性，避免不必要的损失； 比 例微 分积 分执行机构对象r(t)+-++u(t)c(t)e(t)（6）采用数字PID算法，利用软件实现控制，具有更改灵活，节约硬件等优点；

（7）系统性能指标：超调量8％；

调节时间4s；

转速误差1r/min。

1 PID算法及PWM控制技术简介

PID算法

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。下面分别介绍模拟PID、数字PID及其参数整定方法。

基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统设计

一、引言

在现代自动化控制系统中，步进电机广泛应用于各种精密定位和定量控制需求的场景。步进电机的控制涉及到位置的精确定位和稳定性的维持，这就需要一个有效的闭环控制系统来实现。PID控制器被广泛应用于步进电机的闭环控制系统设计中，本文将探讨基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统的设计原理和实现方法。

二、步进电机简介

步进电机是一种特殊的直流电动机，通过控制脉冲信号的频率和顺序来实现精确控制。步进电机的圆周分为若干等角度的步进角，每个步进角对应一个旋转角度，这使得步进电机在控制方面更加便捷和精确。由于步进电机无需传感器反馈，因此常用于定量控制和精确位置控制的场合。

三、PID控制器原理

PID控制器是一种经典的闭环控制器，其由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个部分组成。比例控制决定输出与偏差的比例关系，积分控制消除系统稳态误差和提高系统的响应速度，微分控制用于抑制系统对于负荷变化的敏感性。PID控制器采用反馈控制策略，利用实际输出和期望输出之间的偏差来调整控制量。

四、步进电机位置闭环控制系统设计

步进电机的位置闭环控制系统设计基于PID控制器。首先，需要传感器来获得实际位置信息，然后与期望位置进行比较以获取偏差。接下来，将偏差作为输入，经过PID控制器计算出控制量，并输出给步进电机驱动器。步进电机驱动器根据控制量控制步进电机的旋转，从而实现位置的精确控制。

五、传感器选择

为了获取步进电机的实际位置信息，需要选择合适的传感器。常用的传感器包括光电编码器和霍尔传感器。光电编码器具有高精度和高分辨率的特点，但价格较高；霍尔传感器则具有较低的价格和较高的可靠性，但分辨率较低。根据具体需求和预算可选择合适的传感器。

六、PID参数调整

PID控制器的性能很大程度上取决于参数的选择。比例参数决定了响应的速度和稳定性，过大的比例参数会导致系统震荡，过小则导致响应速度慢；积分参数消除稳态误差，过大的积分参数会导致系统震荡，过小则无法消除稳态误差；微分参数能够抑制系统对负荷变化的敏感性，过大的微分参数会导致系统噪声，过小则无法起到抑制作用。合理选择PID参数是闭环控制系统设计的关键。

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基于MC33035+MC33039的直流无刷电机速度闭环控制系统设计

作者：应弋翔 何嘉冰 李沈崇 史亦飞 许宇翔

来源：《科技创新与应用》2019年第24期

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摘; 要：文章详细介绍了Motorola公司的第二代直流无刷电机控制器专用芯片MC33035的基本原理，在分析了直流无刷电机的结构特点及应用现状后，设计了基于MC33035和MC33039及一些集成电路构成的小功率直流无刷电机的速度闭环控制系统，并进行了调试及试验，确认了其简单和优越的控制性能。在设计的过程中加入了电机的过温保护，使无刷电机在实际工作环境中无故障安全运行。

关键词：MC33035;MC33039;直流无刷电机;闭环控制

中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0049-04

Abstract： In this paper， the basic principle of MC33035， a special chip for the second

generation brushless DC motor controller made by Motorola Company， is introduced in detail. After

analyzing the structure characteristics and application status of the brushless DC motor， the speed

closed loop control system of low power brushless DC motor based on MC33035， MC33039 and 龙源期刊网

some integrated circuits is designed， debugged and tested， and its simple and superior control