基于PID控制的直流电机PWM调速系统设计

当Q1与Q4导通时，如图5，

图5

电流从从电源正极流出后，从Q1由左向右流过电机，再从Q4流出回来电源的负极。此时，电流以从左往右的方向流过电机，从而使电机按顺时针方向运转。 当Q2与Q3导通时，如图6，

图6、电机逆时针运行

电流从电源正极流出后，从Q3由右向左流过电机，再从Q2流出回来电源的负极。此时，电流以从右往左的方向流过电机，从而使电机按逆时针方向运转。

3.4、电机转速采集电路设计

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3.4.1、速度采集的原理及方法

本调速系统中由于要将电机当前采样的速度与上次采样的速度进行比较，计

算出偏差，然后进行PID运算，因此速度采集电路在整个系统中是不可缺少的。 目前在速度采集技术上主要有以下三种方法：

方法一：霍尔集成片。这是由三片霍尔金属板组成的器件，当磁铁正面朝向金属板时，便产生霍尔效应，金属板会产生横向导通的现象。因此，我们只要把磁片安装在电机上，并将霍尔集成片安装在固定轴上，这样便可以将电机的速度以脉冲的形式检测出来。

方法二：测速发电机。将测速发电机与直流电机的转轴相连，当直流电机运转时，带动测速发电机一起转动，此时测速发电机会产生大小取决于电机转速的感应电动势。

方法三：光电编码器。这是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。其工作原理将在下文详述。

将上诉三种方法进行比较，由于高性能的霍尔元件较难购置，且成本较高，所以不采用方法一。测速发电机虽然采样精度较高，但是其实际的安装电路较复杂，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。因此，本课题将采用方法三——光电编码器来作为电机转速采集模块的传感器。

光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一个一定直径的圆板上等分地裁剪出若干个长方形孔如图7(a)所示。光电码盘与电机同轴，当电机运转时，光栅盘与电机一起转动，经发光二极管等电子器件组成的检测装置检测的脉冲信号。再通过计算一个周期内光电编码器输出的脉冲数，从而得到当前电机的转速如图7（b）所示。而且，编码盘还可提供相位相差π/ 2 的两路脉冲信号来判断旋转方向。

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（a） （b） 图7 光电编码器原理图

第四章 调速系统数字部分的设计与原理

4.1、PID 控制器

4.1.1、PID 控制的原理与方法

对于一个控制系统，通常要求其具有快速性、稳定性的品质和性能指标，为了提高调速系统对直流电机在速度运行的上述要求，将采用转速闭环系统来对本直流电机调速进行优化，并采用数字PID控制器来实现电机的无静差运行。 速度闭环控制结构可以对直流电机的调速范围以及调速的精度进行提高。在原来开环形的驱动器的基础上，加上速度闭环，这样就形成了直流电机的速度闭环控制系统。在本直流电机速度闭环调速系统中，速度控制器的输出信号，作为脉宽调制器的控制信号，经过传感器处理后，形成速度反馈信号，反馈信号直接送到电子数字计算机直接数字控制系统中去。我们采用的PID控制器是通过计算机基于PID控制算法通过软件程序实现的。我们需要通过数值逼近的方法来PID控制规律的实现。当采样周期相当短时，通过求和代替积分，以及差分代替微分，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，转化成描述离散-时间PID算法的差分方程。PID控制器的原理框图如图8所示

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