基于单片机的运动控制系统(7)

图5.3 PWM仿真结果2

由波形可以看出修改后的程序能够达到预期目的。 (3)PID控制器参数配置

作为本次设计的核心，控制器的参数配置至关重要，也是设计的难点。但是在配置参数之前，应该先得到PWM波占空比和电机转速之间的关系作为参考，通过设定不同的占空比测得转速值如表5.1

表5.1 占空比与转速关系表 占空比 0.05 0.1 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 转速（rpm） 3423 3121 2485 2077 1620 1176 729 270 转向 反转 反转 反转 反转 反转 反转 反转 反转 占空比 0.95 0.9 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.65 转速（rpm） 3436 3119 2494 2085 1625 1180 730 268 转向 正转 正转 正转 正转 正转 正转 正转 正转 由表中数据可以看出，电机转速基本对称，在较高转速时的线性度较好。

控制器参数的选择有两种方法：理论法和凑试法。采用理论法的前提是要有被控对象比较准确的数学模型，但是这在电机控制中很难做到，因此工程上多采用凑试法。采用凑试法需要了解PID控制器参数对系统相应的影响。

由控制理论知，增大比例系数可以加快响应速度，减小稳态误差，但是可能使超调

过大，甚至造成系统振荡。增大积分常数，有利于减小超调，但响应速度变慢。增大微分常数，可以加快响应速度，减小超调，但抗干扰性能变差。

采用凑试法可按照先比例后积分再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下： (1)将比例系数由小变大，直到得到系统响应快、超调小的响应曲线为止。 (2)先给积分常数一个较大值，并将比例系数略微减小，然后逐渐减小积分常数，直到基本消除稳态误差。

(3)先给微分常数一个较小的数值，然后逐渐增大，同时相应的改变比例系数和积分常数，直到得到比较满意的响应曲线为止。

在本次设计中，一开始采用160ms作为转速采样周期，但是凑试比例系数时发现，尽管尝试了多个数值，电机转速在正转3400rpm左右至反转3400rpm左右不断振荡，由表5.1可以推知此时调节器的输出在最大值和最小值之间振荡，为此可以减小采样时间。经过不断测试，采用16ms作为转速采样周期比较合适，同时应该经设定的转速值缩小10倍，然后按照凑试法步骤调试控制器参数，经过多组数据的比较，PID调节器的参数可以确定为Kp?0.05，Ki=0.25，Kd=0.1，此时虽然转速超调量较大，但是调节时间比较短，而且静态误差基本为零。

另外，虽然采用16ms作为采样周期对于调节器控制来说比较好，但是人眼在16ms的时间间隔内根本无法看到液晶屏上实时转速的变化，因而可以将连续十个采样周期内转速值(speed)之和作为将要显示的转速(sum_speed)，再对连续三个sum_speed求其算术平均值进行滤波后作为液晶屏显示的转速(dis_speed)，这样既可以保证PID调节器的控制作用，也可使液晶屏显示稳定。 5.3 系统联合调试

对系统的联合调试主要是测试转速控制系统的稳态性能和抗扰动性能。稳态性能指电机转速稳定后电机的实测转速值与转速设定值之间的偏差。抗扰动性能指电机处于稳定运行状态时，突加扰动后转速的最大动态降落和转速恢复时间。系统稳态性能测试结果如图5.4所示

图5.4 系统稳态性能测试图

电机转动时，用手指按在电机转轴上进行抗扰动性能测试，系统抗干扰性能测试结果如图5.5所示

图5.5 系统抗扰动性能测试图

系统联合调试时的转速变化曲线可由上位机获得，如图5.6所示

图5.6 转速变化曲线

图中改变电机转向时转速从零开始增长，由图5.6可知本系统的动态恢复时间较短，抗扰动性能较好。

5.4 本章小结

本章主要说明了主要功能模块的测试过程，并对出现的问题和解决方法进行了

阐述，着重介绍了模拟产生PWM波过程和PID参数配置方法，之后对系统的稳态性能和动态性能进行了测试。

第六章 结论与展望

6.1 系统设计成果

本次设计的目标是实现转速、电流双闭环控制的直流调速系统，但是由于中途

调试过程中遇到的各种问题，造成时间上的不足，虽然只完成了转速单闭环控制，但是该系统的稳态精度和抗扰动性能基本令人满意。具体设计成果如下：

(1)硬件方面主要完成了12V和5V直流电源的设计、矩阵键盘和液晶显示电路的焊接、电机驱动电路的实现等。

(2)软件方面主要完成了键盘扫描函数用于设定电动机的运行参数，LCD1602显示函数用于显示设定参数值和实时测量值，利用定时器中断法实现了占空比可调的PWM波，利用定时器的计数方式实现了M法测速，PID控制器的参数整定，采集并显示电机运行参数的上位机设计等。

6.2 经验收获

虽然本次毕业设计没有完全实现设计目标，但是我体会到在设计方案选择，器件选型，软件编程，系统调试等过程中，我们都必须保持严谨的态度，认真记录和分析设计过程中的问题，遇到难题时应该多查阅相关资料，积极思考。另一个体会是自己所学的理论知识与工程实践的脱节，虽然课本上的理论知识具有较强的指导作用，但是并不能完全应对复杂的实践问题，必须针对具体问题具体分析。另外虽然设计应该保持原创性和创新性，但是善于借鉴别人的设计经验会给我们带来极大的便利，比如对于设计PWM波生成程序时出现的问题，自己尝试了多种方案，但还是无法解决，直到在网上看到别人设计波形发生器的经验总结，才找到问题原因所在。此外在设计过程中要注意实践的灵活性，要抓住主要问题，比如本次设计中控制器所需要的转速采样时间和液晶显示所需要的显示时间间隔之间的协调。这次毕业设计加深了我对直流调速系统的理解，培养了分析和解决问题的能力，为以后的工作积累了宝贵经验。

6.3展望

本次设计的转速单闭环控制系统的性能基本令人满意，但是除了电流环之外还有一些问题值得注意。

(1)对于电机保护和故障处理部分并无涉猎，但是在实际工程中这也是不可或缺的部分，可以增加过电流保护电路和电机温度检测环节，设置温度报警功能，并将这些信息发送上位机，方便人们对系统进行比较全面的监测。

(2)数字PID的改进：采用积分分离法即当偏差很大时去除积分环节改进积分作用；采用不完全微分法即在PID算法之后加入惯性环节，可以有效对付干扰的影响。

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