基于串口通信的直流电机PID调速系统设计

曾伟钦，徐东升，冉志勇

（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621000）

“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛以最短时间跑完赛道为目标，尽可能地使车模达到“稳、快、准”的要求，这不仅要求车模有灵敏、准确的传感器系统 ，同时直流电机调速系统的设计也显得至关重要。基于串口通信的直流电机PID调速系统采用PID控制器闭环反馈控制，通过改变PWM信号达到调速控制目的，同时采用串口与上位机进行通信使得PID参数调整方便。该系统结构简单，控制准确，稳定性高。经过不断调试和优化，该设计系统能够使智能车行驶速度和稳定性得到显著提高。

1 系统整体硬件设计

系统整体硬件设计如图1所示，主要由MCU模块、电源模块、车速检测模块、上位机、OLED显示模块、按键输入模块、PWM信号输出等模块组成。

图1 系统整体硬件设计图Fig.1 Whole system hardware design

1.1 MCU微控制器模块

微控制器选用飞思卡尔半导体公司Kinetis产品中的K60系列，具有器件充电检测、硬件加密和篡改加密和篡改检测功能。器件带有丰富的模拟、通信、定时和控制外围设备，涵盖包括从256 kB闪存100引脚LQFP封装到1 MB闪存256引脚MAPBGA封装都有，高闪存密度K60系列器件包括可选单精度浮点单元、NAND闪存控制器和DRAM控制器。

1.2 电源模块

电源稳定工作是系统稳定运行的基础，本系统采用7.2 V Ni—cd蓄电池经过稳压之后分别给各个模块供电。其中3.3 V供MCU、串口、OLED显示屏工作，5 V供光电编码器工作。电源系统如图2所示。

图2 电源系统Fig.2 Power supply system

1.3 车速检测模块

在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器。本系统采用光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。通过光电编码器采集脉冲，将采集到的脉冲数送进PID控制器进行闭环反馈控制。

1.4 OLED显示屏

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。通过显示按键输入的数值，使得调试更加方便。

1.5 PWM调速模块

随着科技的发展，PWM调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等有点，在电机调速中被普遍运用。本系统通过MCU的PWM模块产生10 kHz的PWM信号，采用PID闭环反馈控制计算出PWM的占空比，进而控制直流电机的转速。

2 PID控制器

工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

2.1 比例（P）控制

比例控制是一种最简单控制方式。其控制器输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存稳态误差（Steady-state?error）。

2.2 积分（I）控制

积分控制中，控制器输出与输入误差信号积分成正比关系。对一个自动控制系统，进入稳态后存在稳态误差，则这个控制系统为有差系统。为了消除稳态误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，时间增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会时间增加而加大，它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。比例+积分（PI）控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。

2.3 微分（D）控制

微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差变化率）成正比关系。自动控制系统克服误差调节过程中可能会出现振荡失稳。其原因是存有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差作用变化“超前”，即误差接近零时，抑制误差作用就应该是零。这就是说，控制器中仅引入“比例”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而目前需要增加是“微分项”，它能预测误差变化趋势，这样，具有比例+微分控制器，就能够提前使抑制误差控制作用等于零，为负值，避免了被控量严重超调。对有较大惯性或滞后被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统调节过程中动态特性。

2.4 模拟型和数字型PID控制器

模拟PID控制器的原理如图3所示，其中r（t）为系统给定值，c（t）为实际输出，u（t）为控制量。 如图 3 所示，模拟 PID控制器的数学表达式为：

图3 PID控制器的原理Fig.3 Principle of PID controller

其中：e（t）为系统偏差量，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为积分时间常数，式1也可以整理变形为：

其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数 Ki=Kp/Ti，Kd为微分系数 Kd=KpTd。

计算机控制是一种离散的采样控制，在计算机控制系统中所使用的是数字PID控制器，而式（1）和式（2）均为模拟PID控制器的控制表达式。通过将模拟PID表达式中的积分、微分运算数值计算方法来逼近，便可实现数字PID控制，只要采样周期T取值足够小，这样逼近就可以相当精确。将积分项用矩形和代替，微分项用差分代替，使模拟PID离散化为差分方程，可作如下近似：

其中：T为采样周期，K为采样序号，使用这种近似方法，就可以得到数字PID位子型控制算法和数字PID增量型控制算法。

2.5 PID控制器参数整定

PID控制器参数整定是控制系统设计核心内容。它是被控过程特性确定PID控制器比例系数、积分时间和微分时间大小。PID控制器参数整定方法很多，概括起来有两大类：1）理论计算整定法。它主依据系统数学模型，理论计算确定控制器参数。这种方法所到计算数据未必可以直接用，还必须工程实际进行调整和修改。2）工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接控制系统试验中进行，且方法简单、易于掌握，工程实际中被广泛采用。PID控制器参数工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是试验，然后工程经验公式对控制器参数进行整定。但采用哪一种方法所到控制器参数，都需要实际运行中进行最后调整与完善，现一般采用是临界比例法。

3 系统软件设计

系统启动后，单片机进行初始化设置，包括端口初始化、OLED显示屏初始化、PWM初始化、定时器/中断初始化等。单片机检测按键状态，调用按键子函数，读取键值，将键值显示在OLED显示屏上。另一方面，键值传送到PID控制器作为其参数，通过车速检测模块采集脉冲作为反馈量，软件给定值作为输入量。PID控制器经过整定计算之后，将改变PWM占空比，从而实现直流电机的速度调节控制，系统程序流程图如图4所示。

4 系统调试与分析

图4 系统程序流程图Fig.4 System program flow chart

调试中系统由计算机控制单片机，PC机作为上位机，单片机作为下位机。通过串口与上位机进行通信，将直流电机速度传送到上位机，并用图形显示，直观的显示直流电机速度变化响应曲线，便于调试与分析。通过分析上位机显示的直流电机速度变化响应曲线图，如图5所示，图中上升部分为通过上位机给单片机发送一定的数值，直流电机速度达到这一数值的动态响应情况，稳定部分为直流电机速度恒定保持这一数值，下降部分为通过上位机给单片机发送数值0，直流电机停车过程所发生的动态响应情况。从整个响应曲线图可以得出，该系统控制直流电机调速响应时间短、控制准确，能达到系统要求。

图5 上位机测试界面图Fig.5 PC testing interface diagram

5 结 论

通过运用PWM技术和PID控制器对直流电机进行速速控制，提高了系统稳定性，调速精确，响应时间更短。用OLED显示屏和串口与上位机进行通信，显示系统的一些参数，使得调试更为方便、人性化。经过测试表明，该系统可以被推广使用，能满足一般直流电机的速度控制要求。

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