基于PID控制的直流电机调速系统设计

基于PID控制的直流电机调速系统

【摘要】：在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，PID控制技术应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。

本设计以上面提到的数字PID为基本控制算法，以单片机为控制核心，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。同时利用霍尔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。

【关键词】:直流电机；单片机；霍尔传感器；PID控制

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【Abstract】：In industrial automatic control systems and a variety of

smartproducts are often used to drive electric motor, transmission andcontrol, and modern intelligent control systems, motor control requirements for more accurate and rapid adaptation to the environment have become increasingly demanding high. With the development of technology, through the transformation of the motor, there are some requirements of the motor for various applications such as servo motors, stepper motors, switched reluctance motors and other non-traditional motor. However, insome of the less demanding position control motor controlsystems such as transmission control systems, such asconventional DC motors is a great advantage, but to be preciseand quick control, we need a complex control system. With the development of microelectronics and computers, PID controltechnology becomes more widespread, digital control system, precise control and simple hardware implementation, subject toenvironmental impact, functional complexity, system

changessimple,

good

man-machine

interface

and

other

exchangecharacteristics.

The design for the above-mentioned basic digital PID control algorithm for the control of the microcontroller core, produced by the digital PID algorithm to control the duty cycle of the PWMpulse to achieve the DC motor speed control. At the same timethe use of Hall sensors into pulse frequency motor speedfeedback to the microcontroller to achieve closed-loop speedcontrol, to adjust the speed of the purpose of static error-free.

【Key words】：DC motor ; single - chip Microcomputer ; hall position sensor ; PID

control

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目 录

1

绪 论 ..................................................................................................................................................... 1 1.1 1.2 1.3 1.4 2

本课程的选题背景 .................................................................................................................................... 1 直流电机简介 ............................................................................................................................................. 2 系统开发软硬件概述 ............................................................................................................................... 9 本课题研究的基本内容 ........................................................................................................................ 12

直流电机PID调速系统设计方案 ..................................................................................................... 13 2.1 2.2

系统总体设计方案 ................................................................................................................................. 13 系统设计原理 .......................................................................................................................................... 29

3 直流电机PID系统硬件设计 .............................................................................................................. 37 3.1 3.2 3.3 3.4

H桥驱动电路设计方案 ......................................................................................................................... 37 调速设计方案 .......................................................................................................................................... 38 系统硬件电路设计 ................................................................................................................................. 39 基于单片机控制流程 ............................................................................................................................ 42

4 直流电机PID系统软件设计 .............................................................................................................. 43 4.1 4.2 4.3

如何应用PID控制电机转速 ................................................................................................................. 43 调速系统主程序原理框图 ................................................................................................................... 50 中断服务程序原理框图 ........................................................................................................................ 51

5 6 7

结 论 .................................................................................................................................................. 52 致 谢 .................................................................................................................................................. 52 参考文献 ............................................................................................................................................. 53

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8 附 录 .................................................................................................................................................. 54

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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。实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿真软件，用

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来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进行仿真。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

1.2 直流电机简介

1.2.1 直流电机的发展历史

电机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台电机。电机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。

电机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了2.2公里，但这不影响电机实验的成功。电机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有商业价值。

电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的效率进行提高。电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。

1.2.2 直流电机的特点

直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直

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流电机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。

直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电机的调速性能，并且大量代替直流电机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。

1.2.3 直流电机的分类

一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。

 他励直流电机

由的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。

他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,

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不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。

 自励直流电机

利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自励

时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。但如果原先电机内部没有磁场,它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。所以实现自励的条件是电机内部必须有剩磁。

自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。并励发电机进行自励的条件和起励过程如图1和图2所示。图1是并励直流发电机的原理接线图。图2为其起励过程。其中曲线1为发电机的磁化曲线Φ＝f(If)。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E 0=f(If)，即电机的感应电动势与励磁电流If 之间的关系。而曲线2为励磁回路的电阻特性U＝If·∑R,它表示励磁电流与电机电压之间的关系。它实际是一条斜率为ΣR的直线。其中∑R 为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。

1.2.4 直流电机的结构及基本工作原理  直流电机的结构 分为两部分：定子与转子。

定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。 转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 （1）定子

定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。

直流电机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系由由有螺旋法则确定。

在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。

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（2）转子

转子是电机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。

换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。

在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。

 直流电机的基本工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

图1-1 直流电机的原理模型

当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总

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是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。

 直流电机的机械特性

直流电机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常用的他励和并励电机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。

图1-2 直流电机的接线图

图1-2是他励和并励直流电机的接线原理图。他励电机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电机中两者是并联的，由同一电压U供电。

并励电机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：

UEU=E+RaIa 即：Ia=Ra（Ra为电枢电压）

UIfIfI=Ia+If≈Ia

当电源电压U和励磁电路的电阻Rf保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。则电机的转距也就和电枢电流成正比，T= KTΦIa= KIa这是并励电机的特点。

当电机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电机的转速、电流及电磁转距等发生变化。，称为：

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n n0

Δn nN

T TN 图1-3 并励电机的机

械特性曲线

nUIaRaRaEUTn0nKEkEKEKEKT2

式中并励电机的起动与反转：

并励电机在稳定运行时，其电枢电流位：

UERa

因电枢电阻Ra很小，所以电机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近

Ia似相等。

在起动时，n=0，所以E＝kEΦn＝0。这时电枢电流及起动电流为：

URa

由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。

Iast同时并励电机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。

起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。这时起动电枢中的起动电流的初始值为：

IastURaRst

则起动电阻为：

Rst Word 资料

URa Ra .

一般：Iast=（1.5～2.5）IN

起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电机转速的上升，再把它逐段切除。

注意：直流电机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。普则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：

要改变电机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向， 可通过改变磁通Φ（励磁电流）或电枢电流Ia的方向实现。

1.并励电机的调速

电机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转速公式：nUIaRa可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。 KE2.改变磁通Φ（调磁调速 ）

当保持电源电压U为额定值不变时，调节励磁电路的电阻流If而改变磁通Φ。由式n，改变励磁电

RaUT可见，当磁通Φ减小时，n0升高KEKEKT2了，转速降Δn也增大了；但Δn与Φ2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图1-4

n n2

n1

小 减 通 磁 n0

Un Nn n Tc

图1-4 改变时的机械特性

曲线

T

由于电机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速（Φ＜ΦN），转速上调（n＞nN）。

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1.3 系统开发软硬件概述

1.3.1 单片机最小系统

单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电

路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图1）：

复位电路:

由电容串联电阻构成，由图并结合\"电容电压不能突变\"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C 取10u，R取10K。原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。

（2） 晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)，在本电路中，取12M。

（3） 单片机：一片ATS51/52或其他51系列兼容单片机。对于31脚(EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个(Vcc和

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图1 详细说明如下：

（图1） .

GND)，晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：

P0端口P0.0 - P0.7共8个； P1端口P1.0 - P1.7共8个； P2端口P2.0 - P2.7共8个； P3端口P3.0 - P3.7共8个； 1.3.2 Proteus仿真软件简介

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，Proteus ARES 主要用于PCB 设计。ISIS 的主界面主要包括：1 是电路图概览区、2 是元器件列表区、3 是绘图区。绘制电路图的过程如下：

单击2 区的P 命令即弹出元器件选择（Pick Devices）对话框，Proteus 提供了丰富的元器件资源，包括30 余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2 区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK 按钮，返回主界面。接着在2 区中选中某一个元器件名称，直接在3 区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3 区。

由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完成在2 区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中

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该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（Edit Component）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3 区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。

元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“×”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“×”，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用1 区的绿色边框对3 区的电路进行定位。

Keil编译及调试软件简介

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的Keil C51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：μVision IDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File—New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open…，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—New Project…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group ‘Source Group1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。加入文件后点close返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—Option for Target ’Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，

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如要写片，还必须在Output选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11或选择Debug—Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug—Step Over）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug—Inline Assambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/Remove Breakpoint或Debug—Breakpoints…等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

1.4 本课题研究的基本内容

 学习PID控制直流电机的设计方法；  学习PWM控制理论；

 学习数字PID算法在单片机上的实现方法。

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2 直流电机PID调速系统设计方案

2.1 系统总体设计方案

2.1.1 调速方案比较及选择 （一）方案一：PWM波调速

采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图2—1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

图2-1 PWM波调速电路

其结构图如图2-2所示：

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单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制） 霍尔传感器速度采集 直流电动机 单片机（PID运算控制器、PWM模拟发生器） 电机驱动电路

图2-2 电机PID调速系统总体设计框图

（二）方案二：晶闸管调速

采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图1-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压

Ud，从而实现平滑调速。晶闸管整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；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的dudt与didt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设

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计采用方案一。 2.1.2 检测方案选择

电机控制系统中信号检测是必不可少的，不仅开环控制状态的极限控制需

要，如过电流、过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且对于绝大多数闭环控制系统，状态信息的检测更是不可缺少，即进行实时检测并利用检测信号控制电机的正常运行。检测信号分为电量和非电量两类。电量有电流、电压、电荷量和电功率等。在检测系统中占绝大多数检测信号属于非电量信号，如位置、速度等。在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、转子位置和转速等物理量。下面分别介绍这些 物理量的检测方法。 1.霍尔传感器检测方案

位置传感器主要用于转子位置检测和速度计算，为了正确的获得转子位置信息，不仅要合理地设计转子位置传感器与单片机的接口，还要考虑位置信号处理的方法。合理选择测速元件，这里我们选择霍尔传感器作为测速元件。 2.霍尔传感器 （1）霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

图2-4霍尔元件

接线图：

图2-5霍尔原件接线图

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图所示，是其中一种型号的外形图。 （2）霍尔效应

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如图2-3所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：。

UH=kIB d

图2-3霍尔原理图

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。 上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 （3）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 2.霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出

模拟量。

 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和

输出级组成，它输出数字量。

3.霍尔传感器的特性

（1）线性型霍尔传感器的特性

图2-5电压与外磁场关系

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输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图2-5所示，可见，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 （2）开关型霍尔传感器的特性

如图2-6所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

V0

on V+

off O

Brp Bop B 图2-6霍尔原件特性

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图2-7所示。

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V0

B Brp O Bop 图2-7锁键型特性

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。 4.霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如： 1．电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

2-8霍尔电流传感器原理图

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霍尔电流传感器工作原理如图2-8所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。 2．位移测量

如图2-9所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

图2-9位移测量

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图2-10所示，是按这一原理制成的力传感器。

图2-10压力传感器

开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。 1．测转速或转数

如图2-11所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

图2-11 霍尔传感器测转速

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布

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可以测出车辆的运动速度。

2.1.2 单片机的选择

ATS51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位ATC51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数：

 与MCS-51产品指令系统完全兼容

 4K字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器  1000次擦写周期  4.0-5.5V的工作电压范围  全静态工作模式：0HZ-33MHZ  三级程序加密锁  128*8字节内部RAM  32个可编程I/O口线  2个16位定时/计数器  6个中断源

 全双工串行UART通道  低功耗空闲和掉电模式  中断可从空闲模式唤醒系统  看门狗（WDT）及双数据指针  掉电标示和快速编程特性 ATS51引脚图如下图：

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2-12 ATS51引脚图

1.功能特性概述：

ATS51提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，ATS51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。 引脚功能说明：

Vcc:电源电压 GND:地

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻

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把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE @DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR））区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE/~PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（~PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

~PSEN：程序储存允许（~PSEN）输出是外部程序存储器的选通信号，当ATS51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次~PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的~PSEN信号。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H---FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会所存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

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Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。 XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 双时钟指针寄存器：

为更方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存器：DP0位于SFR（特殊功能寄存器）区块中的地址82H、83H、和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0选择DP0，而DPS=1则选择DP1。用户应在访问相应的数据指针寄存器前初始化DPS位。

电源空闲标志：

电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存器SFR中PCON的第四位（PCON.4），电源打开时POF置“1”，它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。 2.存储器结构：

MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有K外部程序和数据的寻址空间。 3.程序存储器：

如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。

在ATS51,假如EA接至VCC（电源+），程序首先执行地址从0000H----FFFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H----FFFFH（60KB）的外部程序存储器。 4.数据存储器：

ATS51具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。 5.看门狗定时器（WDT）：

WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H），当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。 6.使用看门狗（WDT）：

打开WDT需按次序写01EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR的地址为0A6H），当WDT打开后，需在一定得时候写01EH和0E1H到WDTRST寄存器以避免WDT计数溢出。14位WDT计数器计数达到16383（3FFFH），WDT将溢出并使器件复位。WDT打开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个16383机器周期内复位WDT，也即写01EH和0E1H

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到WDTRST寄存器，WDTRST为只写寄存器。WDT计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通常将RST引脚输出高电平的复位脉冲。复位脉冲持续时间为98xTOSC，而TOSC=1/FOSC（晶体振荡频率）。为使WDT工作最优化，必须在合适的程序代码时间段周期地复位WDT防止WDT溢出。 7.掉电和空闲时的WDT：

掉电时期，晶体振荡停止，WDT也停止。掉电模式下，用户不能再复位WDT。有两种方法可退出掉电模式：硬件复位或通过激活外部中断。当硬件复位退出掉电模式时，处理WDT可像通常的上电复位一样。当由中断退出掉电模式则有所不同，中断低电平状态持续到晶体振荡稳定，当中断电平变为高即响应中断服务。为防止中断误复位，当器件复位，中断引脚持续为低时，WDT并未开始计数，直到中断引脚被拉高为止。这为在掉电模式前复位WDT。

为保证WDT在退出掉电模式时极端情况下不溢出，最好在进入掉电模式前复位WDT.。

在进入空闲模式前，WDT打开时，WDT是否继续由SFR中的AUXR的WDIDLE位决定，在IDLE期间（位WDIDLE=0）默认状态是继续计数。为防止ATS51从空闲模式中复位，用户应周期性地设置定时器，重新进入空闲模式。

当位WDIDLE被置位，在空闲模式中WDT将停止计数，直到从空闲（IDLE）模式中退出重新开始计数。 8.UART-----通用异步通信口：

ATS51的UART操作与ATC51一样。异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。 9.定时器0和定时器1：

ATS51的定时器0和定时器1操作与ATC51一样。T0:记时器0外部输入；

T1:记时器1外部输入。 10.中断：

ATS51共有5个中断向量：2个外部中断（INT0和INT1），两个定时中断（Timer0和Timer1）和一个串行中断。这些中断如图1.

这些中断源各自的禁止和使能位参见特殊功能寄存器的IE。IE也包含总中断控制位EA，EA清0，将关闭所有中断。值得注意的是表4中的IE.6和IE.5没有定义，用户也不要访问这些位，它是保留为以后的AT产品作扩展用途。

定时器0和定时器1的中断标志TF0和TF1，它是定时器溢出时的S5P2时序周期被置位，该标志保留至下个时序周期。 11.晶体振荡器特性：

ATS51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1

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和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5.

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐使用30pF+/-10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+/-10PF。

用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2端则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 12.空闲节电模式：

在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。

需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。为了避免在复位结束时可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 13.掉电模式：

在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断INT0和INT1激活。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。 14.程序存储器的加密：

ATS51可使用对芯片上的3个加密位LB1、LB2、LB3进行编程（P）或不编程（U）。

当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA端的逻辑电平被采样并所存，如果单片机上电后一直没有复位，则锁存器的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直保存到真正复位为止。为使单片机能正常工作，被所存的EA电平值必须

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与该引脚当期的逻辑电平一致。此外，加密位只能通过整片擦除的方法清除。

2.1.3 PID调节器

在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特性参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此，在工业生产过程中，大量采用的仍然是PID算法，PID参数的整定方法很多，但大多数都以对象特性为参数。

1． PID控制器的历史来源

在控制系统中，反馈是一种很重要的思想。迄今为止，工业过程控制中最常用的反馈控制就是PID控制。这是因为PID控制器中的积分、比例和微分作用分别反映了设定值与测量值之间误差的历史积累、当前状态和未来变化趋势，包含了控制系统过去、现在和将来的信息，具有结构简单、易于整定的优点，能够满足一般工业过程对于控制品质的要求。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过KP，TI和TD三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID控制器有几个重要功能:它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。PID控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。PID控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。在过程控制中，90%以上的控制回路采用PID类型的控制器。

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

从技术角度看，PID 控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，至少可追逆到1000年前我国北宋年间发明的闭环调节系统——水运仪象台；从理论角度看，是20世纪40年代开始的调节原理的一种典型代表。 2． PID控制器的现状

PID控制的广泛应用同时促进了这一领域的理论研究，使得PID控制成为一种

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不断发展中的控制技术。虽然控制策略的本质没有改变，但是现在的Pm控制器在许多方面已与早期的PID控制有了很大的不同。例如:在广泛使用的DCS、PLC和FCS等计算机控制系统中，PID控制器采用的是数字算式;在PID控制算法中，通过增加抗积分饱和、自整定和自适应等功能来提高控制系统的性能:通过引入Smith预估补偿器解决了PID控制应用于大时滞过程的问题。随着先进控制技术的发展，人们又把PID控制策略和先进控制策略结合起来，形成了很多改进的PID控制器，比如把PID控制与模糊控制结合起来，形成模糊PID控制器;又如将神经网络和PID控制结合起来，利用神经网络来在线整定PID控制器的参数，形成基于神经网络的PID控制器等。正是由于人们不断地对PID控制进行改进，才赋予了它更强的生命力，影响力最广的常规控制算法。由此可见，PID控制还将得到了进一步的发展，具有广阔的应用前景。PID控制器应用如此广泛主要由以下几个原因。

首先，PID控制器有很长的应用历史，只要设计和参数整定合适，在许多应用场合都能获得较满意的效果。

第二，由于PID控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确的数学模型;并且PID控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高;因而在现有控制系统中使用容易。

第三，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统PID控制的复杂控制算法能够得到实现。控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么PID控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?其中一个原因是许多高级控制策略(如模型预测控制)都采用分层结构，而PID控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的PID控制器提供设定值。另一个原因是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。

第四，借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID控制器发生了许多变化，从过去的气动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对PID控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID控制器都是建立在微处理器基础上。这样也就给传统PID控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。 3． PID控制器的广泛应用

PID控制器已广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等领域，特别适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。PID控制中的积分作用可以消除稳态误差，微分作用可以解决大惯性过程的控制问题。PID控制常常与运算环节、逻辑环节、顺序环节和选择器等一些简单的功能块相结合组成复杂控制系统，如串级控制、前馈控制、比值控制和选择性控制等。先进控制系统一般也将P工D控制作为其组成部分集成在一起，

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作为先进控制的基础回路，由先进控制器为基础级的PID控制器提供设定值。因此，熟练使用PID控制是每个仪表与过程控制工程师的基本功，也是解决实际问题中主要手段之一。

在实现技术上，PID控制器己经经历了从气动仪表到由电子管、晶体管和集成电路组成的电动I型、H型和m型仪表阶段，再到以微处理器为核心的智能仪表和计算机控制系统的阶段。微处理器对PID控制器的发展具有非常深刻的影响。基于微处理器的PID控制器为实现自整定、自适应和增益调度等附加功能创造了条件。自整定是指PID控制器参数可以根据操作员的需要或一个外部信号的要求自动进行整定。实际上，许多DCS、PLC和FCS供应商都在各自的系统中提供了PID控制器自整定功能。

经过几十年来的应用，在PID控制器的设计、整定和工程实施方面已经积累了大量的经验，一些研究者也在致力于PID控制器设计方法方面的理论研究，取得了一系列的研究成果。另外，在许多控制算法的仿真研究中，PID控制已成为控制性能比较的标准。尽管如此，PID控制器的设计和应用仍然面临着很大的挑战，一方面，工业现场有许多PID控制器由于性能不佳而被置于“手动”状态;另一方面，对于PID控制器各种设计方法的适用性缺乏系统的分析研究，因而很难在特定对象的PID控制器设计时选择合适的设计方法，也缺少基于综合的控制性能要求设计PID控制器的方法。

近年来，在控制系统性能评价和监控方面出现了一些研究成果，并在工业界得到了应用。如何在各类工业过程PID控制器设计中，从综合性能指标的角度选择合适的设计方法和控制器参数;在此基础上，如何将控制系统性能评价的研究成果应用于PID控制器设计的实践;将是本篇论文的研究重点。提高控制回路的性能，不仅需要PID控制的知识，而且需要过程方面的知识;只有综合应用各种知识，才有可能使PID控制器达到令人满意的工作效果。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要指标。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自

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校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与Control Net相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell的LogiX产品系列，它可以直接与Control Net相连，利用网络来实现其远程控制功能。 4. PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 5． PID控制器的设计方法

自1942年Z-N法的提出以来，PID控制器的设计方法不断增加，其中有很大一部分用于PID控制器的自动整定，常用的有基于线性二次最优控制的PID参数优化方法、基于频域法的PID控制器设计、直接综合法、状态反馈的极点配置设计法，本文将重点对基于频域法的PID控制器设计方法和直接综合法的PID器设计方法进行研究和比较。

2.2 系统设计原理

2.2.1 系统总体框图设计

构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能模块图。

Word 资料 LED数码管 声光提示电路 .

2.2.2 PID控制器的原理

PID制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的有效而简单的控制算法。

比例 r(t) + _ 微分 e(t) 积分 + + u(t) + y(t) 被控对象

图2-13 PID控制系统原理框图

PID控制系统原理框图如图2-13所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为:

t1de(t)u(t)KP[e(t)e(t)dtTD] （2-1）

TI0dt Word 资料

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式中:

e(t)r(t)y(t)，

KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

用单片机去驱动步进电动机时，应用 PID的“增量算法”的基本原理。

增量式PID控制算法可以通过（2-4）式推导出。由(2-4)可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：

(2-5)

将（2-4）与（2-5）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：

（2-6）

其中

由（2-6）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（2-6）求出控制量。

增量式PID控制算法与位置式PID算法（2-4）相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。

位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：

（2-7）

Word 资料

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（2-7）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法。

 比例环节的作用

比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。

针对设定值控制中的超调问题，Hang C.C.等人提出了一种关于比例控制的改进算法。通过在比例控制中引入设定值加权系数b，将PID控制器修正为：

tde(t)1u(t)KP[eP(t)e(t)dtTD] （2-2）

TI0dt其中：

eP(t)br(t)y(t)。

即通过调节设定值信号的比例增益，减小相应的动态响应增益以克服超调问题。

下面将对比例环节进行仿真研究，考察KP=1-5，TD=0，TI=无穷大时，对系统阶跃响应的影响。 源程序如下： G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=[1:1:5]; for i=1:length(Kp)

Gc=feedback(Kp(i)*G,0.01178); step(Gc),hold on end

仿真结果如图2-14所示。

Word 资料

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Step Response140120100Amplitude80604020000.050.10.15Time (sec)0.20.250.3

图2-14 比例环节的系统响应

分别用深蓝色、绿色、红色、淡蓝色和紫红色表示当KP=1-5时对应的系统响应，从图2-2可以看出随着比例系数KP的增大，稳态误差在减小，控制时间加长，响应速度加快，同时动态性能变差，振荡比较严重，闭环系统的超调量增大，但是不能完全消除稳定误差。

 积分环节的作用

积分环节的引入主要是为了保证实际输出值y(t)在稳态时对设定值r(t)的无静差跟踪。假设闭环系统已经处于稳定状态，则此时控制输出量u(t)和控制偏差量e (t)都将保持在某个常数值上，不失一般性，我们分别用u0和e0来表示。根据PID控制器的基本结构式(2-1)，有：

u0KP[e0e0t] (2-3) TI在己知KP和TI不为常数的情况下，u0为常数当且仅当e0=0。即对于一个带积分作用的控制器，如果它能够使闭环系统稳定并存在一个稳定状态，则此时对设定值的跟踪必是无静差的。

下面将对积分环节进行仿真研究，考察当KP=1，TD=0，TI=0.03-0.07对系统阶跃响应的影响源程序如下： G1=tf(1,[0.017 1]);

Word 资料

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G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=1;

ti=[0.03:0.01:0.07]; for i=1:length(ti) Gc=tf(Kp*[ti(i) 1],[ti(i) 0]); Gcc=feedback(G*Gc,0.01178); step(Gcc),hold on end

仿真结果如图2-15所示。

Step Response140120100Amplitude80604020000.10.20.3Time (sec)0.40.50.6

图2-15 积分环节的系统响应

分别用深蓝色、绿色、红色、淡蓝色和紫红色表示TI=0.03-0.07时对应的系统响应。由图2-3可以清楚得看出，随着TI的加大，闭环系统的超调量减小，响应速度减慢。TI值过小，系统将变得不稳定，TI值能完全消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。同时，随着积分时间常数不减小，静差在减小；但是过小

Word 资料

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的TI会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。

 微分环节的作用

微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度。PD控制器的结构为：

u(t)KP[e(t)TDde(t)] (2-4) dte(tTD)的泰勒级数为：

e''(t)TD,则2!de(t)e(tTD)e(t)TDdt (2-5) e(t)e'(t)TD控制信号与TD时刻以后的偏差成比例。从图2-16可看出比例微分能够预测未来的输出。

e(t) etTD e(t)TDde(t) dt0 t

图2-16 微分的预测作用

下面将对微分环节进行仿真研究，考察KP=0.01，TD=12-84，TI=0.01对系统阶跃响应的影响

源程序代码： G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=0.01; ti=0.07; td=[12:36:84]; for i=1:length(td)

Gc=tf(Kp*[ti*td(i) ti 1],[ti 0]); Gcc=feedback(G*Gc,0.01178);

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step(Gcc),hold on end

仿真结果如图2-17所示。

Step Response10090807060Amplitude50403020100051015Time (sec)202530

图2-17 微分环节的系统响应

其中，蓝色表示当TD=12时的系统响应，绿色表示当TD=48时的系统响应，红色表示当TD=84时的系统响应。

从图2-5中可以看出，微分时间常数增加有利于减小超调量，由于微分环节的作用，在曲线的起始上升段出现了一个尖锐的波峰，之后曲线也呈现衰减的振荡，随TD加大，闭环系统的超调量加大，但经过曲线尖锐的起始上升阶段后，响应速度减慢。

因此，可以用仿真的方法获得PID控制的相关参数的数值。例如增量式PID控制算法。

一、 研究的基本内容

1. 学习PID控制直流电机的设计方法； 2. 学习PWM控制理论；

3. 学习数字PID算法在单片机上的实现方法。

二、 研究方法及措施

1. PID算法的模型

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Kpr-eKpTIsu对象yKpTDs

图1 模拟PID控制

3 直流电机PID系统硬件设计

3.1 H桥驱动电路设计方案

图3-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图3-1 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转

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动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图3-2 H桥驱动电机顺时针转动

图3-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图3-3 H桥驱动电机逆时针转动

3.2 调速设计方案

调速采用PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，

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其时间和幅度的分辨率都没有。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

3.3 系统硬件电路设计

3.3.1 电源电路 1.芯片介绍

78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V

电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过

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高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 2.电路原理图

电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图3-4：

图3-4 78系列的电源电路

3.3.2 H桥驱动电路

基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H桥驱动电路（图3-5），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

图3-5 H桥的电机驱动电路

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3.3.3 基于霍尔传感器的测速模块 1.霍尔传感器的工作原理

霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。 2.霍尔传感器的电路原理图

图3-6 霍尔传感器的测速电路

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3.4 基于单片机控制流程

P1.0 A T 8 9 S 5 1 T1.0 AD0832 霍尔传感器 直流电动机 TLP250 光耦器件 IR2100 H桥驱动电路

图3-6 基于单片机的直流电机PID调速系统整体硬件结构框图

主要由单片机控制单元、电机驱动电路、霍尔传感器电路构成。

Word 资料

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4 直流电机PID系统软件设计

4.1 如何应用PID控制电机转速

基于单片机的直流电机PID调速系统软件设计是基本的设计核心是运用PID调节器，从而实现直流电机的在带动负载的情况下也能稳定的运行。 1. 在单片机中编程设定一数字量为控制直流电机速度的给定值；

2.利用霍尔传感器对直流电机进行测速，并将其转化为数字量作为直流电机的反馈值；

3. 应用数字PID模型作单片机控制编程，其中P、I、D参数可以通过以下增量式PID控制算法得出；具体的PID控制相关参数的计算和仿真如下：

4.1.1 直流电机动态数学模型

直流电机相关参数如下：额定数据：10kW，220V,50A,1000r/min，系统电枢回路总电阻R=1.0，KS=44，Ce=0.1925V*min/r，系统运行部分的飞轮惯量

GD2=10N*m2，U2=132.8V等等。

Uns ns KP + —KSTsl1 1CeTmTls2Tms1 

图4-1反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图

由此可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：

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Ws式中 ：

Tss1TmTlsKK2Tms1

KPKs 。 CeU2 直流电机相关参数计算如下：

L0.693IdminL=0.017H 。

计算系统各环节的时间常数： 电磁时间常数：

TLlR0.017s 机电时间常数：

TGD2R100.6m375CeCm3750.192530s0.075s0.1925又因为：Kp =21

闭环系统的开环放大系数：

KKPKsC55.58

e于是，原始闭环系统的开环传递函数是：

Ws55.580.049s10.026s10.0167s1

4.1.2 增量式PID控制算法

当执行机构需要的是控制量的增量时，可由下式：

KuKKPeKKIejKD(eKeK1)u0 j0式中：

K -----采样序号，K=0，1，2……；

uK ----第K次采样时刻的脚手架输出值； eK ----第K次采样时刻的输入偏差值； eK1 ----第（K-1）次采样时刻输入的偏差值；

K----积分系数,KTIIKPT； I Word 资料

4-1）

（

.

KD----微分系数，KDKPTD； Tu0 ----开始进行PID控制时计算机的输出值。

导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得：

u(k1)KPe(k1)KIe(j)KD[e(k1)e(k2)] (4-2)

j0k1用式(2-8)减式(4-2),可得

u(k)KP[e(k)e(k1)]KIe(k)KD[e(k)2e(k1)e(k2)]KPe(k)KIe(k)KD[e(k)e(k1)]进一步改写为：

(4-3)

式中 e(k)e(k)e(k1)式（4-3）称为增量式PID控制算法。可将式(4-3)

u(k)Ae(k)Be(k1)Ce(k2) (4-4)

式中:

AKP(1BKP(12TTD) TITTD) TTDCKP

T他们都是由采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。 不难看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP、

TI和TD，只要使用前后3次测量值的偏差，就可以用式(4一3)或（4-4）求出控制

增量。

采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu(k)对应的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制增量的积累

u(k)u(j)需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件（如直流

j0K电机）来实现；目前采用较多的是利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)通过执行软件来完成。

增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点： 首先，由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

其次，手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。

再次，算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定，仅与最近k次的采样值有

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关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

同时增量式控制也有不少缺点：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可以采用位置式控制算法，而在以直流电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。

图4-2给出了增量式PID控制算法程序框图。

开始 计算控制参数A,B,C 设初值e(k-1)=e(k-2)=0 本次采样输入c(k) A/D 计算偏差值e(k)=r(k)-c(k) 计算控制量Δu(k) Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) 被控对象（直流电动机） D/A 输出Δu(k) 为下一时刻做准备 e(k-1)→e(k-2)，e(k)→e(k-1) 采样时刻到吗？ N Y 图4-2 增量式PID控制算法程序框图

根据增量式PID控制算法，设计了仿真程序。被控对象如下：

Ws Word 资料

55.58

0.049s10.026s10.0167s1 .

%建立系统的离散化模型 s=tf('s');

Gp=tf(55.85/((0.049*s+1)*(0.026*s+1)*(0.0167*s+1))); Ts=0.00167;

Gpd=c2d(Gp,Ts); %连续系统离散化 %用根轨迹法找出临界值Kcr和Wcr figure(1)

clf %清除当前图形 rlocus(Gpd); %绘制根轨迹

[K,Poles]=rlocfind(Gpd); 应的增益和极点 Kcr=K;

Wcr=angle(Poles(1))/Ts; Tcr=2*3.14/Wcr; %设计PID控制器

%按表中公式确定参数Kp，Ti，Td Kp=0.388*Kcr; Ti=0.5*Tcr; Td=0.125*Tcr;

%按PID控制器模型确定Ki和Kd Ki=Kp*Ts/Ti; Kd=Kp*Td/Ts;

disp('PID参数Kp,Ki,Kd分别为:') Kp Ki Kd

%建立PID控制器的离散化模型Gcd(s) z=tf('z',Ts)

Gcd=Kp+tf(Ki*z/(z-1))+tf(Kd*(z-1)/z); %检验PID控制器的性能 Gd=Gpd*Gcd;

Gclose=feedback(Gd,1); figure(1) clf

step(Gclose,'r') 运行的结果如下: selected_point = -3.2749 - 0.0559i

PID参数Kp,Ki,Kd分别为: Kp =

1.7037e+004 Ki =

1.7045e+004

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%从根轨迹确定临界点对 .

Kd =

4.2570e+003 Transfer function: z

Sampling time: 0.00167

PID校正后阶跃响应曲线如图

x 108Step Response16141210Amplitude820-2012345678x 109-3Time (sec)4-3 PID校正后阶跃响应曲线如图

由此, 我们可在动态仿真集成环境Simulink下构造一个系统模型，并将所求得的KP,TI和TD代入SIMULINK中，如图4-4所示。

图4-4 控制系统模型图

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在Simulink窗口下点击开始仿真按钮, 双击SCOPE图标, 就可以得到如图4-5所示的，接入PID控制器后的闭环响应曲线。

图4-5 PID整定后的阶跃响应曲线

单片机PWM调宽输出作为输出值，通过H桥式直流电机驱动电路等，实现对直流电机的PID调压调速功能。具体应用：

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。最终实现对直流电机的PID调压调速功能。

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4.2 调速系统主程序原理框图

主程序 初始化 给定转速初值 利用定时器T0产生PWM脉冲 延时 调用中断服务程序

图4-6 调速系统主程序原理框图

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4.3 中断服务程序原理框图

Word 资料保护现场 开始 硬件初始化 检测P1.0口算出转速 与设定转是 速相比较 否 调用PID算法子程序 储存结果 中断返回 图4-7中断服务程序原理框图

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5 结 论

本文在广泛查阅资料，了解直流电机特性的基础上，对直流电机的控制原理进行了的研究，设计了一款简单直流电机PID控制器。

本文所设计的基于ATS51单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功能:

(1)采用ATS51单片机作为主控芯片，加强对直流电机的智能控制； (2)安全控制电机系统，利用霍尔元件，实现了系统的速度的反馈控制； (3)利用PID控制算法对于直流电机加以控制；

(4)关于直流电机的先关参数计算，以及PID参数的获得；

实践证明，本控制系统精度高，稳定性好，硬件简单且工作可靠,具有很好的推广价值。

由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。

6 致 谢

首先在此表达对指导老师感谢。在做毕业设计这段时间里，指导老师给了我很多指导和建议，让我对直流电机控制系统有了很多了解，并学到了很多对我有用的东西。尽管他带教学课程，工作很忙，但他也抽出自己空余的时间辅导我们，对我们所问的问题均一一细致的解答。

其次还要感谢电气教研室的所有老师，感谢他们对我学习和生活上的支持和帮助，使我在大学期间学到了很多的有用的东西。

最后，忠心的感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位领导、教授、老师！

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7 参考文献

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[12] N.R.Mallik.Electronic Ciruits-Analysis Simulation and Design.Prentice Hall,1995.

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8 附 录

外文资料

Proportional Integral and Derivative Control of

Brushless DC Motor

Atef Saleh Othman Al-Mashakbeh

Department of Electrical Engineering Tafila Technical University P.O. Box 179, Tafila – Jordan Abstract

Brushless DC (BLDC) motors are one of the electrical drives that are rapidly gaining popularity, due to their high efficiency, good dynamic response and low maintenance. In this paper, the modeling and simulation of the BLDC motor was done using the software package MATLAB/SIMULINK. A speed controller has been designed successfully for closed loop operation of the BLDC motor so that the motor runs very closed to the reference speed. The simulated system has a fast response with small overshoot and zero steady state error. Keywords: PID Controller; BLDC motor; Mathematical model; 1. Introduction

Since the late 1980’s new design concept of permanent magnet brushless motors has been developed.The permanent magnet brushless motor can be classified upon to the back-EMF waveform, where it can be operated in either brushless AC (BLAC) or brushless DC (BLDC) modes. Usually the BLAC motors have a sinusoidal back-EMF waveform and BLDC motors have a trapezoidal back-EMF. In modern electrical machines industry productions the brushless direct current (BLDC) motors are rapidly gaining popularity. BLDC motors are used in industries such as Appliances, HVAC industry,medical, electric traction, road vehicles, aircrafts, military equipment, hard disk drive, etc. Comparing BLDC motors with DC motors, the DC motor have high starting torque capability, smooth speed control and the ability to control their torque and flux easily and independently. In the DC motor, the power losses occur mainly in the rotor which limits the heat transfer and consequently the armature winding current density, while in BLDC motor the power losses are practically all in the stator

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where heat can be easily transferred through the frame, or cooling systems can be used specially in large machines. In general the induction motor has many advantages as: their simplest construction, simple maintenance, low price and reliability.Furthermore, the disadvantages of induction machines make the BLDC motors more efficient to use and become more attractive option than induction motors. Some of the disadvantages of induction machines are poor dynamic characteristics, lower torque at lower speeds and lower efficiency 2. Dynamic Model of the BLDC Motor

It is assumed that the BLDC motor is connected to the output of the inverter, while the inverter input terminals are connected to a constant supply voltage, as shown in Fig.1. Another assumption is that there are no power losses in the inverter and the 3-phase motor winding is connected in star.

Figure 1: BLDC model

Figure 2: MATLAB simulink of BLDC

For a symmetrical winding and balanced system, the voltage equation across the motor winding is as follows:

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Applying Kirchhoff’s voltage law for the three phase stator loop winding circuits yields:

vaRaiaLadiadidi MabbMaccea （1）

dtdtdtvbRbibLbvcRcicLcdibdidi MbaaMbcceb （2）

dtdtdtdicdidi McaaMcbbec （3）

dtdtdtWhere the back-EMF waveforms a e , b e and c e are functions of angular velocity of the rotor shaft, so

eKem

（4）

Where Ke is the back-emf constant.

So the BLDC motor mathematical model can be represented by the following equation inmatrix form:

La MbaMcaMabLbMcbMacdMbcdtLciavaRaiv0bbicvc00Rb00iaeaie (5) 0bbRcicecIf we assume that the rotor has a surface-mounted design, which is generally the case for today’s BLDC motors, there is no saliency such that the stator self inductances are independent of the rotor position, hence:

LaLbLcL

And the mutual inductances will have the form:

MabMacMbaMbcMcaMcbM

Assuming three phase balanced system, all the phase resistances are equal:

RaRbRcR

Rearranging the equation (5) yields;

L MMMLMMdMdtLiavaR00iaeaiv0R0ie (6) bbbbicvc00RicecThe electromechanical torque is expressed as TemJdrBrTL (7) dtBut the electromagnetic torque for this 3-phase BLDC motor is dependent on the current, speed and back-EMF waveforms, so the instantaneous electromagnetic torque can be represented as:

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Tem1m(eaiaebibecic) (8)

The simulation of the BLDC motor was done using the software package MATLAB/SIMULINK. After running the simulation, the speed, torque, current, waveforms were recorded and analyzed. Fig. 3 shows the open loop response of the motor.

Figure 3: Open loop response

3. PID Controller

PID control is a proportional integral plus derivative controller whose transfer function is:

GPID(s)Kp(11Tds)Tis(9)

The selection of the Proportional Integral and Derivative (PID) controller parameters can be obtained using the Ziegler-Nichols methods. Depending on the values of as shown in fig. 4 and using the Ziegler-Nichols tables, we can fid the PID parameters.

Figure 4: Zegiler-Nichols PIS Parameters

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Now, using the following equations, the PID parameters can be derived:

Kp1.2Ta (10) LaTi2La (11)

TD0.5La (12)

4. Simulations and Results Analysis

A simulation of a brushless DC motor system with the PID gains calculated using the above equations was performed using MATLAB. The calculated gains of PID control are provided in Table 1. The speed response is shown in Figure 5. So it can be concluded that a direct PI tuning method is suitable to designate self-tuning technique for BLDC motor, where the overshoot in the motor speed response approximately zero and the error steady state is also go to zero. Table 1: PID Parameters PID GAINS Values PID GAINS Kp T1 TD Values 9 0.04 0.01 Figure 5: The motor response using PI controller Word 资料

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5. Conclusions

In this paper, a mathematical model of brushless DC motor is developed. The simulation of the brushless DC motor was done using the software package MATLAB/SIMULINK. Also PID control based on the Ziegler-Nichols method is presented and applied to brushless DC motor. This method is feasible due to the unique and simplified structure of this motor. The PID controller designed has been simulated and observed to have good performance, where the results show that the overshoot before adding the PI control was 71% but after adding PI control the maximum overshoot was approximately zero which is a good result. So a speed controller has been designed successfully for closed loop operation of the BLDC motor and the motor runs very closed to the reference speed.

中文翻译

PID控制无刷直流电机 阿特夫奥斯曼萨利赫铝马沙克贝

电气工程处技术大学Tafila P.O. 179箱，Tafila - 约旦

摘要

无刷直流（BLDC）电机的电驱动器正在迅速普及，由于其高效率，良好的动态响应和低维护1。本文的建模和仿真的无刷直流电机是用软件MATLAB /

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SIMULINK的。一个速度控制器已经专为无刷直流电机闭环操作成功，使电机的运行速度非常封闭的参考速度。该模拟系统具有超调量小和零稳态误差的快速反应。

关键词：PID控制器，直流无刷电机;数学模型; 1． 介绍

20世纪80年代末以来的永磁无刷电机新的设计概念已developed.The永磁无刷电机可分为点名的反电动势波形，它可以在任何无刷交流（双语）或无刷直流（BLDC操作）模式。通常双语电机有一个正弦反电动势波形和直流无刷电机具有梯形反电动势。在现代工业生产的电机无刷直流（BLDC）电机正在迅速获得普及。无刷直流电机应用于行业，如家用电器，暖通空调行业，医疗，电力牵引，道路车辆，飞机，军事设备，硬盘驱动器等比较无刷直流电机与电机，直流电机具有高起动转矩能力，平稳的速度控制并有能力控制自己的转矩和磁通容易和。在直流电机，功率损失主要发生在转子从而了热量传递，因此电枢绕组的电流密度，而在直流无刷电机的功率损耗几乎在热的地方可以很容易地通过框架，或全部转移定子冷却系统可以专门用来在大型机器。一般来说，异步电机具有许多优点：它们的最简单的建设，维护简单，价格低廉，reliability.Furthermore，感应机的缺点作出更有效的直流无刷电机的使用，成为更具吸引力，异步电机的选择。对异步电机的缺点主要是穷人的动态特性，以较低的速度和低效率，低扭矩

2． 动态模型的直流无刷电机

这是假设BLDC电机连接到变频器的输出，而逆变器输入端连接到电源电压恒定，如在图1所示。另一种假设是，有没有在逆变器的功率损耗和3相电机绕组星形连接。

图1：无刷直流电机模型

图2：MATLAB的无刷直流电机的Simulink

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对于对称绕组和平衡系统，电机绕组两端的电压方程如下： 申请三相定子绕组电路产量环基尔霍夫电压定律：

vaRaiaLavbRbibLbvcRcicLcdiadidi MabbMaccea （1）

dtdtdtdibdidi MbaaMbcceb （2）

dtdtdtdicdidi McaaMcbbec （3）

dtdtdt凡反电动势波形爱，是和CE是角速度的转子轴，所以功能

eKem

（4）

凡柯是反电动势常数。

因此，无刷直流电机的数学模型可以表示为下列方程式inmatrix形式：

LaMbaMcaMabLbMcbMacdMbcdtLciavaRaiv0bbicvc00Rb00iaeaie （5）0 bbRcicec如果我们假设转子一个表面贴装设计，通常是今天的直流无刷电机的情况下，没有显着性，这样的自我定子电感是转子位置无关，因此：

LaLbLcL

而互感将有如下形式：

MabMacMbaMbcMcaMcbM

假设三相平衡系统，所有的相电阻是相等的：

RaRbRcR

重新整理等式（5）产量;

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LMMMLMMdMdtLiavaR00iaeaiv0R0ie （6） bbbbicvc00Ricec机电扭矩表示为

TemJdr BrTL （7）

dt但是，这种三相无刷直流电机电磁转矩的电流，速度和反电动势波形，所以瞬时电磁转矩可以表示为依赖：

Tem1m(eaiaebibecic) （8）

作者：无刷直流电机是用仿真软件MATLAB / SIMULINK的。在运行模拟，速度，转矩，电流，波形记录和分析。图3显示电机的开环反应。

图3：开环反应

3． PID控制器

PID控制是一个比例积分加微分控制，其传递函数为：

GPID(s)Kp(11Tds)Tis（9）

该比例积分微分（PID）的选择控制器参数，可使用齐格勒-尼科尔斯方法。视乎如图所示的值。 4，使用齐格勒-尼科尔斯表，我们可以瞎话的PID参数。

图4：Zegiler -尼科尔斯私立参数

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现在，使用以下方程，可以推导出PID参数：

Kp1.2Ta （10） LaTi2La （11）

TD0.5La （12）

4． 模拟及结果分析

一个无刷直流电机系统与PID模拟收益计算使用上述方程，用MATLAB进行。 PID控制计算收益是提供表1。速度响应如图5所示。因此，可以得出结论，直接有价证券调谐方法适用于指定自校正直流无刷电机，其中在电机冲高速响应技术和接近于零稳态误差也到零。

表1：PID参数

联网的PID值 PID的增益 Kp T1 TD 价值观 9 0.04 0.01 图5：使用PI控制器的运动反应

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5． 结论

在此，提出了一种无刷直流电机的数学模型。在无刷直流电机是用模拟软件MATLAB / SIMULINK的。此外PID控制的基础上齐格勒，尼科尔斯的方法，提出并应用于无刷直流电机。这种方法是可行的，由于这一独特的电机和简化结构。 PID控制器的设计进行了模拟，并观察到有良好的表现，其中结果表明，在加入PI控制超调为71％，但后加入PI控制的最大超调约为零这是一个很好的结果。因此，一个速度控制器已成功地设计了无刷直流电机闭环运行，电机运行速度非常封闭的参考速度。

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