CN106788006A - 一种基于pi控制的直流电机调速控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于PI控制的直流电机调速控制系统及控制方法，控制中心模块单向接收按键模块、带编码器的直流电机模块信号，单向传输信号给显示模块、电机驱动模块，电机驱动模块单向传递信号给带编码器的直流电机模块。用按键预制电机的转速，控制中心模块向电机驱动模块发送信号并产生PWM波，电机驱动模块驱动直流电机旋转。编码器测得直流电机的转速并将其反馈给控制中心模块。控制中心将设定速度与测量速度进行比较，得到速度差。根据速度差进行PI控制，改变PWM波的占空比，最终使得测量速度接近与设定速度，实现对直流电机的调试控制。在显示模块上显示PWM波占空比，设定速度、测量速度、当前P和I的系数等信息。

Description

一种基于PI控制的直流电机调速控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及种一种基于PI控制的直流电机调速控制系统及控制方法。

背景技术

直流电机有广泛的应用。如何控制和调整电机的转速是工程和实验领域要解决的问题之一。通常采用PWM波控制电机的转速，根据PWM波的占空比调整电机的转速，但是在实验和实际应用中，经常会发现，给一个固定占空比的PWM波，电机的转速并不能达到一个稳定的速度。因此，对电机的控制采用经典的PID控制，PID控制中P是比例系数，使得电机速度尽快到达设定值，但P、I、D的参数变化范围很大，很难找到合适的参数。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于PI控制的直流电机调速控制系统及控制方法，为解决直流电机速度控制问题，采用增量式PI控制方法，设计了无刷直流电机速度控制器。对模拟调节器进行了离散化处理，每隔10ms用编码器测速一次，并进行适当的软件滤波，用计算出速度差作为控制量，用离散的差分方程代替连续的微分方程，用软件实现了PI控制算法。搭建了基于STM32的实验平台，给出了P和I参数整定方法，并通过大量实验得到了合适的P和I的系数，验证了该增量式PI控制方法的正确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于PI控制的直流电机调速控制系统，包括控制中心模块、显示模块，电机驱动模块、带编码器的直流电机模块、按键模块。控制中心模块单向接收按键模块、带编码器的直流电机模块信号，单向传输信号给显示模块、电机驱动模块，电机驱动模块单向传递信号给带编码器的直流电机模块。用按键预制电机的转速，控制中心模块向电机驱动模块发送信号并产生PWM波，电机驱动模块驱动直流电机旋转。编码器测得直流电机的转速并将其反馈给控制中心模块。控制中心将设定速度与测量速度进行比较，得到速度差。根据速度差进行PI控制，改变PWM波的占空比，最终使得测量速度接近与设定速度，实现对直流电机的调试控制。在显示模块上显示PWM波占空比，设定速度、测量速度、当前P和I的系数等信息。

所述的控制中心模块由软件和硬件组成，硬件由STM32F103ZET6微处理器组成，软件包括测速、PI控制、显示等。

所述的带编码器的直流电机模块由带有编码器的小型直流电机组成，用于直流电机旋转并用编码器进行测速。

所述的按键模块由按键检测电路组成。用于设定电机转速和调节P和I的参数。

所述的电机驱动模块由TB6612直流电机驱动模块构成。用于驱动直流电机旋转。

所述的显示模块由TFT1.44寸真彩液晶屏构成，用于显示PWM波占空比，设定速度、测量速度、当前P和I的系数等信息。

一种基于PI控制的直流电机调速的控制方法，包括以下步骤：

1）对中心控制模块STM32F103ZET6的定时器A、定时器B、PWM波、硬件SPI进行初始化，定时器A初始化为10ms中断一次，在中断中主要进行电机测速和PI控制，定时器B初始化为计数方式，每隔10ms读取一次编码器的输出值，得到直流电机的实际转速；用按键模块设置电机的转速；

2）启动电机转动，10ms中断时间到，进定时器A中断，编码器测速，得到实际速度值，用设定值减去测量值，得到速度差e，

用

式中，e(k)为本次误差，e(k-1)为上次误差，e(k-2)为上上次误差，PWM代表PWM波占空比的增加量。Kp为比例系数P, Ki为积分系数；

3）计算得到PWM的增量，重新修改PWM值，调整电机转速，若测量值小于设定值，则PWM增大，提高电机转速；若测量值大于设定值，则PWM减小，降低电机转速；

4）为了找到合适的P和I的系数Kp和Ki，对于每一个固定的Kp和Ki值，连续测量500次，然后修改Kp或Ki值，自动加1或者减1，在一定的范围内，连续测量多组Kp和Ki的值所对应的速度值，将其导入MATLAB下进行分析，确定最终的Kp和Ki的值。

本发明的有益效果是：

1）本发明能够实现直流电机的恒速旋转。

2）采用按键模块，可设定电机转速并修改PI控制时的P和I的参数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作流程图。

其中，1为控制中心模块；2为显示模块；3为电机驱动模块；4为带编码器的直流电机模块；5为按键模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

如图1所示，基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，包括控制中心模块1、显示模块2、电机驱动模块3、带编码器的直流电机模块4、按键模块5。控制中心模块1单向接收按键模块5、带编码器的直流电机模块4信号，单向传输信号给显示模块2、电机驱动模块3，电机驱动模块3单向传递信号给带编码器的直流电机模块4。用按键预制电机的转速，控制中心模块向电机驱动模块发送信号并产生PWM波，电机驱动模块驱动直流电机旋转。编码器测得直流电机的转速并将其反馈给控制中心模块。控制中心将设定速度与测量速度进行比较，得到速度差。根据速度差进行PI控制，改变PWM波的占空比，最终使得测量速度接近与设定速度，实现对直流电机的调试控制。在显示模块上显示PWM波占空比，设定速度、测量速度、当前P和I的系数等信息。

所述的控制中心模块1由软件和硬件组成，硬件由STM32F103ZET6微处理器组成，软件包括测速、PI控制、显示。

所述的带编码器的直流电机模块4由带有编码器的小型直流电机组成。用于直流电机旋转并用编码器进行测速。

所述的按键模块5由按键检测电路组成。用于设定电机转速和调节P和I的参数。

所述的电机驱动模块3由TB6612直流电机驱动模块构成。用于驱动直流电机旋转。

所述的显示模块2由TFT1.44寸真彩液晶屏构成，用于显示PWM波占空比，设定速度、测量速度、当前P和I的系数等信息。

如图2所示，一种基于PI控制的直流电机调速的控制方法，包括以下步骤：

1）对中心控制模块STM32F103ZET6的定时器A、定时器B、PWM波、硬件SPI进行初始化，定时器A初始化为10ms中断一次，在中断中主要进行电机测速和PI控制，定时器B初始化为计数方式，每隔10ms读取一次编码器的输出值，得到直流电机的实际转速；用按键模块设置电机的转速；

2）启动电机转动，10ms中断时间到，进定时器A中断，编码器测速，得到实际速度值，用设定值减去测量值，得到速度差e，

用

式中，e(k)为本次误差，e(k-1)为上次误差，e(k-2)为上上次误差，PWM代表PWM波占空比的增加量。Kp为比例系数P, Ki为积分系数；

3）计算得到PWM的增量，重新修改PWM值，调整电机转速，若测量值小于设定值，则PWM增大，提高电机转速；若测量值大于设定值，则PWM减小，降低电机转速；

4）为了找到合适的P和I的系数Kp和Ki，对于每一个固定的Kp和Ki值，连续测量500次，然后修改Kp或Ki值，自动加1或者减1.在一定的范围内，连续测量多组Kp和Ki的值所对应的速度值，将其导入MATLAB下进行分析，确定最终的Kp和Ki的值。

Claims (7)

1.一种基于PI控制的直流电机调速控制系统，包括控制中心模块（1）、显示模块（2），电机驱动模块（3）、带编码器的直流电机模块（4）、按键模块（5），其特征在于，控制中心模块（1）单向接收带编码器的直流电机模块（4）、按键模块（5）信号，单向传输信号给显示模块（2）、电机驱动模块（3）；

电机驱动模块（3）单向传递信号给带编码器的直流电机模块（4）。

2.根据权利要求1所述的基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，其特征在于，所述的控制中心模块（1）由软件和硬件组成，硬件由STM32F103ZET6微处理器、定时器A、定时器B、PWM波、硬件SPI组成，软件包括测速、PI控制、显示。

3.根据权利要求1所述的基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，其特征在于，所述的带编码器的直流电机模块（4）由带有编码器的小型直流电机组成。

4.根据权利要求1所述的基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，其特征在于，所述的按键模块（5）由按键检测电路组成。

5.根据权利要求1所述的基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，其特征在于，所述的电机驱动模块（3）由TB6612直流电机驱动模块构成。

6.根据权利要求1所述的基于PI控制的直流电机调速控制系统及方法，其特征在于，所述的显示模块（2）由TFT1.44寸真彩液晶屏构成。

7.一种基于PI控制的直流电机调速的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对中心控制模块STM32F103ZET6的定时器A、定时器B、PWM波、硬件SPI进行初始化，定时器A初始化为10ms中断一次，在中断中主要进行电机测速和PI控制，定时器B初始化为计数方式，每隔10ms读取一次编码器的输出值，得到直流电机的实际转速；用按键模块设置电机的转速；

2）启动电机转动，10ms中断时间到，进定时器A中断，编码器测速，得到实际速度值，用设定值减去测量值，得到速度差e，

用

式中，e(k)为本次误差，e(k-1)为上次误差，e(k-2)为上上次误差，PWM代表PWM波占空比的增加量；

Kp为比例系数P, Ki为积分系数；

3）计算得到PWM的增量，重新修改PWM值，调整电机转速，若测量值小于设定值，则PWM增大，提高电机转速；若测量值大于设定值，则PWM减小，降低电机转速；

4）为了找到合适的P和I的系数Kp和Ki，对于每一个固定的Kp和Ki值，连续测量500次，然后修改Kp或Ki值，自动加1或者减1，在一定的范围内，连续测量多组Kp和Ki的值所对应的速度值，将其导入MATLAB下进行分析，确定最终的Kp和Ki的值。