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单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告摘要：本文基于基本原理和方法，设计和仿真了一个单闭环直流调速系统。
首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，包括PID控制器的参数调整方法。
接下来使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，对系统的性能进行评估。
最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。
关键词：直流电机调速、单闭环控制系统、PID控制器、仿真实验一、引言直流电机广泛应用于机械传动系统中，通过调节电机的电压和电流实现电机的调速。
在实际应用中，需要确保电机能够稳定运行，并满足给定的转速要求。
因此，设计一个高性能的直流调速系统至关重要。
本文基于单闭环控制系统的原理和方法，设计和仿真了一个直流调速系统。
首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，并采用PID控制器进行调节。
接着使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，并对系统的性能进行评估。
最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。
二、直流电机调速的基本原理直流电机调速是通过调节电机的电压和电流实现的。
电压变化可以改变电机的转速，而电流变化可以改变电机的转矩。
因此，通过改变电机的电压和电流可以实现电机的调速。
三、控制系统设计和参数调整根据系统的要求，设计一个单闭环控制系统，包括传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量电机的转速，并将信息传递给控制器。
控制器根据测量的转速和给定的转速进行比较，并调节电机的电压和电流。
执行器根据控制器的输出信号来控制电机的电压和电流。
在本实验中，采用PID控制器进行调节。
PID控制器的输出信号由比例项、积分项和微分项组成，可以根据需要对各项参数进行调整。
调整PID控制器的参数可以使用试错法、频率响应法等方法。
四、系统仿真实验使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，建立直流调速系统的模型，并对系统进行性能评估。
一、总体设计概述本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。
二、直流电机调速原理根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速，总满足下式：式中U——电压；Ra——励磁绕组本身的内阻；——每极磁通（wb ）;Ce——电势常数；Ct——转矩常数。
由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。
如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。
调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电．压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。
平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真直流电机双闭环调速系统是一种常见的控制系统，常用于工业生产中对电机速度的精确控制。
本文将基于MATLAB软件进行直流电机双闭环调速系统的设计与仿真，包括系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等方面。
文章将以1200字以上的篇幅进行详细阐述。
一、系统设计直流电机双闭环调速系统由速度环和电流环构成。
速度环控制系统的输入为速度设定值和电机实际速度，输出为电机期望电压；电流环控制系统的输入为速度环输出的电压和电机实际电流，输出为电机实际电压。
通过控制电机的期望电压和实际电压，达到对电机速度的调控。
二、参数设置在进行系统仿真之前，需要确定系统中各个参数的值。
包括电机的额定转矩、额定电压、电感、电阻等参数，以及控制环节的比例增益、积分增益、微分增益等参数。
这些参数的选择会影响系统的稳定性和动态性能，需要根据实际情况进行调整。
三、控制策略选择常见的控制策略包括PID控制、PI控制、PD控制等。
在直流电机双闭环调速系统中，可以选择PID控制策略。
PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节组成，可以提高系统的稳定性和响应速度。
四、系统仿真在MATLAB中进行直流电机双闭环调速系统的仿真，可以使用Simulink模块进行搭建。
根据系统设计和参数设置，搭建速度环和电流环的控制器，连接电机实际速度和电机实际电流的反馈信号，输入速度设定值和电机期望电流，输出电机期望电压。
通过仿真可以得到系统的动态响应曲线，评估系统的性能。
五、性能分析在仿真结果中，可以分析系统的静态误差、超调量、调整时间等指标，评估系统的控制性能。
通过参数调整和控制策略更改等方式，可以优化系统的控制性能，使系统达到更好的调速效果。
总结：本文基于MATLAB软件对直流电机双闭环调速系统进行了设计与仿真。
通过系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等步骤，可以得到直流电机双闭环调速系统的动态响应曲线，并通过参数调整和控制策略更改等方式，优化系统的控制性能。
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的本实验旨在通过实验研究单闭环不可逆直流调速系统的基本原理、调速特性和调速方法，掌握闭环调速的基本思想和方法，熟悉DC电机的调速控制原理和方法。
二、实验原理在单闭环不可逆直流调速系统中，电机的速度调节采用PID控制方式，通过控制电机的电源电压来实现调速。
具体的原理如下：1.电机的动作原理：当电枢通电后，电枢周围会产生一个磁场，同时在电枢内产生一个磁场，这两个磁场互相作用产生力矩，从而将电枢带动转动。
2.电机的调速控制：通过改变电机的电源电压来实现对电机的调速控制，电源电压越高，电机的转速越快，电源电压越低，电机的转速越慢。
而电源电压的改变通常是通过PWM调制实现的。
3.PID算法：PID控制算法采用比例、积分、微分三种控制信号结合的方式实现对电机转速的控制。
比例控制用于实时调整电机转速，积分控制用于修正电机转速下降过程中的偏差，微分控制用于提高系统的动态响应速度。
三、实验步骤1.将实验电路图搭建好，并连接好电源、电机、PWM信号发生器等模块。
2.对电机进行标定：通过对电机的空载转速和负载转速进行测量，确定电机传动系数和最大负载系数。
3.进行调速实验：通过修改PWM信号发生器的占空比来改变输入电压，从而实现对电机速度的控制。
同时通过示波器和万用表实时对电流、转速、电压等参数进行测量与记录。
4.使用PID算法对电机进行调速控制，对比比例控制、积分控制、微分控制和PID控制四种方法的效果和优缺点。
四、实验结果与分析实验中我们对电机的标定得到了电机的传动系数约为0.0134，最大负载系数为0.39。
在进行调速实验时，我们可以明显地感受到PWM信号发生器占空比的改变会对电机的转速产生影响。
同时通过测量和记录不同占空比下的电流、转速、电压等参数，我们可以得到调速系统的调速特性曲线。
通过加入PID算法，我们可以明显地感受到PID控制的稳定性和动态性，相比其他三种控制方法，PID控制能够更快速地达到稳定状态，同时产生的超调也更小。
电机伺服控制和PID算法详解1电机伺服控制技术简介所谓伺服控制，通常也就是指闭坏控制，即通过反馈环节，测量被控制对象的变化，用以修正电机输出的控制技术。
对于要求不高的应用，通常采用简单的开环控制。
例如，给直流有刷电机的两根引线通电，电机就会旋转；施加的电圧越高，电机转速越高，力量越大。
但是在很多需要精密控制的场合，仅仅这种方式还是不够的，还碍要依靠一定的反馈装置，将电机的转速或位宣信息反馈给微控制器或其他的机械装置，通过淀的算法变成町以调节电机拧制伫勺的输出，从而使电机的实际转速、位置等参数与我们所希望的一致。
机器人控制是一个精度要求比较高的领域，例如.基于以下的一些考虑.机器人平台需要使用闭环控制。
a）开坏控制情况卜，移动机器人在爬坡时，电机速度会I、•降。
更糟糕的是，当双轴独立驱动的移动机器人以一定的角度接近斜坡时。
每一个车轮转速的下降值将会不同，结果是机器人的实际运动轨迹是沿着一条曲线而不是直线行进。
b）不平坦的地面会造成移动机器人的两个车轮转速Z间的差异。
如果转速较低的车轮的驱动电机没有得到相应的电压补给，移动机器人将偏移既定的路线。
c）由于安装工艺、负载不完全均衡等原因，即使是完全匹配的两个电机，并在相同的输入电压条件下，他们的速度有时仍会产生不同，即转速差。
d）如果釆用的是PWM控制，即使在PWM信号占空比不变的条件卜•，随着电池电斥的逐渐下降，电机供给电压也会随之降低，从而导致电机的转速与给定值不完全一致。
综介以上的一些考虔，必须选择闭环控制的方式，其工作流程如下图所示：闭环系统中加上了反馈环节（通常机器人的驱动电机使用的是增帚:式光学编码器）。
在闭环控制系统中，速度指令值通过微控制器变换到功放驱动电路，功放驱动电路再为电机提供能量。
光学编码器用丁•测量车轮速度的实际值并将其回馈给微控制器。
基丁•实际转速号给定转速的差值，即 ''偏差"，驰动器按照一定的计算方法（如PID算法）调整相应的电压供给，如此反复，H 到达到给定转速。
单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日目录设计题目 (3)1 设计要求及主要技术指标： (4)1.1 设计要求 (4)1.2 主要技术指标 (5)2 设计过程 (6)2.1 题目分析 (9)2.2 整体构思 (10)2.3 具体实现 (12)3 元件说明及相关计算 (14)3.1 元件说明 (14)3.2 相关计算 (15)4 调试过程 (16)4.1 调试过程 (16)4.2 遇到问题及解决措施 (20)5 心得体会 (21)参考文献 (22)附录一：电路原理图 (23)附录二：程序清单 (24)设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。
电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。
电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机1 设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM 调速控制装置。
1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。
（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。
（3）设计一个4个按键的键盘。
K1:“启动/停止”。
K2：“正转/反转”。
K3：“加速”。
K4:“减速”。
（4）手动控制。
在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。
在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。
本论文主要是对双闭环PWM直流调速系统的研究，实现对电动机的数字化控制。
在设计中，对PWM直流调速的原理、双闭环直流调速原理和特点进行了全面阐述。
为实现系统的微机数字化控制，采用了ATmega8作为整个控制系统的核心部分，配以显示、驱动、测量等模块，实现对电动机转速参数的显示和测量。
硬件组成包括ATmega8单片微机、电流检测模块、转速检测模块、保护模块、键盘模块、显示模块、直流电机驱动模块等组成。
在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，为了提高控制系统的性能和可靠性，设计中，对电流环和转速环采用PID调节器。
在软件实现中，本系统采用增量式PID控制算法来改变PWM的占空比，在硬件结构上采用了集成电路模块，简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。
实现了直流电动机的实时数字PWM控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。
关键词：ATmega8单片机；直流电机；PWM调速; 双闭环; PIDThis paper is mainly to the double loop DC speed control system of study PWM, to achieve the digital control of DC motor. In the design, the principle of the PWM DC Motor Speed Control, the principle and characteristics of Double Closed Loop DC Speed Control are analyzed comprehensively expounded. For the realization of digital control computer system, using the ATmega8, as the core of the whole control system, together with the display, drive, measurement modules, to achieve the motor speed parameter display and measurement. Hardware includes the ATmega8 single chip microprocessor, the current detection module, speed detection module, protect module, keyboard module, the display module, the driver module of DC motor and other components. In the design, using PWM control mode, through changing the PWM duty cycle to change the motor armature improve the control performance and reliability of the system, the design of current loop and rotational speed, using PID regulator. In this system, the software realization of incremental PID control algorithm is adopted to realize PID parameters of the system and the software programming realize speed current digital PID adjuster operations and generate digital PWM waves.In the software implementation, the system uses the incremental PID control algorithm to change the PWM duty cycle. In the hardwarestructure of integrated circuits using modules, greatly simplified the hardware circuit, improve the stability and reliability of the system, the system's performance improved. It realizes the real-time digital PWM motor control, with convenient control, simple and flexible configuration advantages.Key words: ATmega8 microcontroller; DC motor: PWM Speed Regulator; Double closed loop; PID目录1 绪论 (6)1.1 课题的背景和意义 (6)1.2 课题研究的主要内容 (7)2 直流电机PWM调速原理和总体方案确定 (7)2.1直流电机PWM调速原理 (7)2.2 PWM脉冲产生方式 (9)2.3 双闭环直流调速系统的介绍 (10)2.3.1 双闭环直流调速系统的工作原理 (10)2.3.2 双闭环调速系统的作用 (12)2.3.3 数字双闭环直流调速系统 (12)3 系统总体方案分析与设计 (13)3.1系统总体方案的分析 (13)3.2 系统总体方案的设计 (13)4 系统硬件电路设计 (14)4.1 ATmega8单片机最小系统 (14)4.1.1 ATmega8的简介及特点 (14)4.1.2 ATmega8单片机的最小系统的其他电路设计 (16)4.2 电源模块电路设计 (17)4.3 直流电机驱动模块设计 (18)4.3.1 H桥驱动电路原理 (18)4.3.2 直流电机驱动电路设计 (18)4.4 隔离模块电路设计 (21)4.5 键盘电路设计 (22)4.6 速度和电流检测模块电路设计 (24)4.6.1 速度检测电路设计 (24)4.6.2 电流检测电路设计 (26)4.7 转速显示电路模块设计 (26)4.8 串行通信模块电路设计 (27)5电机控制策略的研究 (28)5.1 PID算法 (28)5.2 数字滤波算法 (32)6 系统软件设计 (33)6.1 主程序设计 (33)6.2 初始化程序设计 (34)6.3 中断服务子程序设计 (34)7 总结与展望 (38)参考文献 (39)附录..................................................... 错误！未定义书签。
晶闸管双闭环直流调速系统设计引言：直流调速系统广泛应用于电机控制领域，其中晶闸管双闭环直流调速系统具有较好的性能和可靠性。
本文将介绍晶闸管双闭环直流调速系统的设计原理和步骤，并分析其性能和可行性。
一、系统设计原理：晶闸管双闭环直流调速系统由速度环和电流环组成。
其中速度环通过测量电机转速与期望速度之间的误差并反馈控制，通过调整电机的输入电压来改变电机的转速。
电流环通过测量电机输出电流与期望电流之间的误差并反馈控制，通过调整晶闸管的导通角来改变电机的输出电流。
速度环和电流环通过PID控制器进行控制，实现闭环控制。
二、系统设计步骤：1.确定系统参数：包括电机参数、电压参数、电流参数和速度参数等。
根据实际情况选择合适的参数值。
2.设计速度环：首先选择合适的速度传感器进行速度测量，如光电编码器或霍尔元件。
然后根据测量值与期望速度之间的误差计算PID控制器的输出值，进一步控制电机的输入电压。
3.设计电流环：选择合适的电流传感器进行电流测量，如电流互感器或霍尔元件。
根据测量值与期望电流之间的误差计算PID控制器的输出值，进一步控制晶闸管的导通角。
4.设计反馈回路：将测量到的速度和电流信号经过滤波器进行滤波处理，减小干扰。
然后将滤波后的信号输入到PID控制器，计算控制器的输出值。
最后将控制器的输出值经过扩大器进行放大，最终作为输入信号驱动电机。
5.系统仿真和优化：使用MATLAB等仿真软件进行系统仿真，分析系统的性能和稳定性。
根据仿真结果，调整控制参数和系统结构，优化系统性能。
三、系统性能和可行性分析：晶闸管双闭环直流调速系统具有较好的稳态和动态性能。
速度环能够实现对电机速度的精确控制，适应不同负载的要求。
电流环能够实现对电机输出电流的精确控制，保证电机的安全运行。
经过优化设计的系统具有较快的响应速度、较小的超调量和较好的稳定性。
总结：本文介绍了晶闸管双闭环直流调速系统的设计原理和步骤，并分析了其性能和可行性。
数字PID闭环直流电机调速控制系统 目 录 一、摘要 1. 系统简介 2. MATLAB简介
二、系统设计 1.系统概述 2.直流电机的速度控制方案 3. 速度设定值和电机转速的获取 4. 非线性变速积分的PID算法 4.1 PID算法的数字实现 4.2 经典PID算法的积分饱和现象 4.3 变速积分的PID算法 4.4 非线性变速积分的PID算法 5. 计算机控制仿真及分析 5.1实验仿真步骤以及理论分析： 5.2 系统仿真结论以及分析
三、总结 四、参考文献 摘 要 系统简介 数字PID闭环直流电机调速控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型。而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此选用PID控制器作为转速控制器是本系统的重要措施。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。在分析了直流电机闭环速度控制方案的基础上,针对PID算法在直流电机应用中出现的种种问题,给出了相应的解决方法，提出了非线性变速积分PID算法,成功地解决了在低采样周期时PID算法的积分饱和问题。
本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。
MATLAB简介 在1980年前后，美国的Cleve博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。
MATLABSGI由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。本文通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较开环系统和闭环系统的差别，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。 系 统 设 计 1.系统概述 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛的应用。采用PI调节的转速单环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单环系统就难以满足要求。这主要是因为在单环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
对于经常正反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起制动过程时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，达到稳态转速是立即使电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为此需引入电流负反馈，构成转速电流双闭环直流调速系统。系统原理图如图1所示。
转速调节器电流调节器三相集成触发器三相全控桥直流电动机给定电压
电流检测
转速检测
×× Un* + Un- Ui* - Ui+UcUdnTA
图1单环直流调速系统原理图 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间构成串级控制系统。把转速调节器的输入当作电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，即三相集成触发器。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，即设计成带转速微分的负反馈直流调速系统。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运放的倒相作用。 系统先进行信号采集再进行A /D转换,然后再通过给定和同步信号(由电源的过零点进行同步)使单片机送出脉冲来控制触发电路,控制整流电路输出,驱动电动机工作,再由检测电路带回实际转速给单片机,让单片机根据实际转速和给定转速进行比较、放大及P ID运算等操作,从而控制整流电路α角的大小,进而改变电机电枢电压的大小,达到调节电动机转速的目的。并且可由单片机驱动显示电路。
2.直流电机的速度控制方案 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（ 额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。
直流电机速度控制方案 直流电机控制器可采用电机控制专用DSP，也可采用单片机＋直流电机控制专用集成电路的方案。前者集成度高，电路设计简单，运算速度快，可实现复杂的速度控制算法，但由于DSP的价格高而不适合于小功率低成本的直流电机控制器。后者虽然运算速度低，但只要采用适当的速度控制算法，依然可以达到较高的控制精度，适合于小功率低成本的直流电机控制器。
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，关系到整个直流电机控制器设计的成败。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)其中kp为比例系数； Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数。
3.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。 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，
图2：霍尔传感器信号 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。系统中采用了串行A／D（如ADS7818）来实现速度设定值的采样。但在电机调速的过程中，电机控制器的功率输出部分会对A／D模拟输入电压产生干扰，进行抗干扰处理。
4.非线性变速积分的PID算法 4.1 PID算法的数字实现 离散形式的PID表达式为：
其中：KP,KI,KD分别为调节器的比例、积分和微分系数;E（k）,E（k－1）分别为第k次和k－1次时的期望偏差值;P（k）为第k次时调节器的输出。 比例环节的作用是对信号的偏差瞬间做出反应,KP越大,控制作用越强,但过大的KP会导致系统振荡,破坏系统的稳定性。积分环节的作用虽然可以消除静态误差,但也会降低系统的响应速度,增加系统的超调量,甚至使系统出现等幅振荡,减小KI可以降低系统的超调量,但会减慢系统的响应过程。微分环节的作用是阻止偏差的变化,有助于减小超调量,克服振荡,使系统趋于稳定,但其对干扰敏感,不利于系统的鲁棒性。
4.2 经典PID算法的积分饱和现象 当电机转速的设定值突然改变,或电机的转速发生突变时,会引起偏差的阶跃,使｜E（k）｜增大,PID的输出P（k）将急剧增加或减小,以至于超过控制量的上下限Pmax,此时的实际控制量只能限制在Pmax, 电机的转速M（k）虽然不断上升,但由于控制量受到限制,其增长的速度减慢,偏差E（k）将比正常情况下持续更长的时间保持在较大的偏差值,从而使得 PID算式中的积分项不断地得到累积。当电机转速超过设定值后,开始出现负的偏差,但由于积分项已有相当大的累积值,还要经过相当一段时间后控制量才能脱离饱和区,这就是正向积分饱和,反向积分饱和与此类似。解决的办法：一是缩短PID的采样周期（这一点单片机往往达不到）,整定合适的PID参数;二是对 PID算法进行改进,可以采用非线性变速积分PID算法。
4.3 变速积分的PID算法 变速积分PID算法的基本思想是改变积分项的累加速度,使其与偏差的大小相适应。偏差大时,减弱积分作用,而在偏差较小时则应加强积分作用,为：
这时PID算法可改进为：
