基于单片机PID算法的无刷直流电机控制系统的研究

BillScot2

摘要:为了实现无刷直流电机的控制数字化和精确 可控性,以及解决普通PID算法在无刷直流电机应用中出现的问
( k$ ?2 Q4 L+ P题,分析了一种以单片机为核心的硬件控制系统方案。该控制系统由无刷直流电机、IR2130,IRF540等构成，以AT89C51为
核心,控制算法采用变速积分PID算法。仿真结果证明成功解决了普通PID算法中的积分饱和现象，系统响应速度快,稳定
% ~& _$ h5 \( ?/ E; H9 \' v性好,提高了无刷直流电机的可控性。
9 t) X  k1 M( |+ G5 g/ I% B, }关键词:无刷直流电机;单片机; PID; PWM
: [8 b( w  U! F) F4 c: [传统的无刷直流电动机控制系统是主要由模拟器件
构成的模拟系统,但模拟系统存在着器件易于老化，器件
3 K7 ?2 m* F$ K/ P: o- ^随温度变化造成参数漂移,系统可靠性下降及系统升级困
: H9 G' ~% P, D9 z; a  Z/ Y难等缺点,成为制约其发展的瓶颈。随着微处理机和大规
( P& n( D2 Z/ x* I5 q# Z5 O, a( x模集成电路的发展,无刷直流电动机控制器正从模拟走向
数字,从而可以完成许多复杂控制,应用前景更加广阔。
本文以单片机AT89C51为核心,设计了一种数字的无刷
* I( {6 i+ I, s/ ^% ?% s  r直流电机控制系统,利用电机本身的位置传感器信号倍频
后作为速度反馈,用脉冲信号作为速度给定信号,用改进
6 ?+ ?: ^' W. U% d8 U/ V' D的数字PID算法进行速度控制,获得了较好的控制效果。
2 K& x) b; \' `4 X  t1 ]2 L8 [' U1系统的控制方案
系统主要由微处理器、给定电路、驱动电路、电源变换
电路、主功率电路、保护电路检测电路、隔离电路、显示电
4 t$ D9 Y' t2 x& X4 i7 @* U路以及看门狗电路等组成。其整个控制系统的基本结构
! r' {) d9 V6 P框图如图1所示。
为了充分利用电机的功率容量和最大转矩,本文研究
  W0 {  O7 K, J9 j的是三相无刷直流电机,以星型连接全桥驱动,采用PWM
调制控制速度,通电方式采用两两通方式。电机控制系统
/ k! i- V* h( ^; b/ @
4 w+ [$ B- j2 E7 z, T: Y采用速度环和电流环双闭环控制,如图2所示。速度环为
控制系统外环,负责对参考转速与实测转速进行比较,再
通过速度调节器对转速差进行PID调节,得到电流环调节
所需要的电流参考值与实测电流之差进行考值,对电流
PID调节,完成双闭环控制。

速度给定信号通过两种方式传给单片机:通过单片机
串口;通过给单片机一个与给定速度相同的周期脉冲信
5 I6 e  p1 ?4 r3 v号,单片机计算该脉冲的频率或周期作为给定转速。在本
! \  O' W) a5 Z) l5 ?2 g文中采用Phillips Semiconductor公司生产的SE555定时
器电路,他是8脚芯片,具有关断时间小于2 μs,最大工作
& P- q  N+ H- K8 F1 @3 b频率大于500 kHz,温度系数稳定,只有0.005% /C,而且
* J. M- f' R" C
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以AT89C51为核心,控制算法采用变速积分PID算法

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