单片机控制直流电机：速度闭环控制原理与实现：深入剖析速度闭环控制的奥秘

# 1. 单片机控制直流电机的基础理论

**1.1 直流电机的基本原理**

直流电机是一种将电能转换成机械能的电机。其工作原理是基于电磁感应定律。当电流流过电机线圈时，线圈周围会产生磁场。该磁场与电机定子中的永磁体产生的磁场相互作用，从而产生扭矩，驱动电机转子旋转。

**1.2 单片机控制直流电机**

单片机是一种微型计算机，可以执行预先编程的指令。在控制直流电机时，单片机通过脉宽调制（PWM）输出信号，控制电机驱动器。PWM信号的占空比决定了电机线圈中电流的平均值，从而调节电机的转速。

# 2. 速度闭环控制原理

### 2.1 速度闭环控制的基本概念

#### 2.1.1 闭环控制系统概述

闭环控制系统是一种反馈控制系统，它将系统的输出作为反馈信号，与输入信号进行比较，并根据比较结果调整控制器的输出，从而实现对系统输出的控制。

#### 2.1.2 速度闭环控制系统的结构

速度闭环控制系统主要由以下部分组成：

- 速度传感器：测量电机转速并将其转换为电信号。
- 控制器：根据速度传感器反馈的信号和给定速度指令，计算控制量。
- 执行器：根据控制器的输出控制电机的电压或电流，从而改变电机的转速。

### 2.2 速度闭环控制器的设计

#### 2.2.1 PID控制器的原理

PID控制器是一种常用的速度闭环控制器，它通过计算误差信号的比例、积分和微分值来调整控制量。

- 比例控制：控制量与误差信号成正比，误差越大，控制量越大。
- 积分控制：控制量与误差信号的积分值成正比，消除稳态误差。
- 微分控制：控制量与误差信号的微分值成正比，提高系统响应速度。

#### 2.2.2 PID控制器的参数整定

PID控制器的参数（比例系数、积分时间和微分时间）需要根据系统的特性进行整定。常用的整定方法有：

- **齐格勒-尼科尔斯法：**通过阶跃响应确定控制器的参数。
- **科恩-科恩法：**通过频率响应确定控制器的参数。

### 2.3 速度闭环控制系统的稳定性分析

#### 2.3.1 系统稳定性的概念

系统稳定性是指系统在受到扰动后能够恢复到稳态状态的能力。

#### 2.3.2 系统稳定性分析方法

系统稳定性分析方法主要有：

- **根轨迹法：**通过绘制系统的根轨迹来分析系统的稳定性。
- **奈奎斯特稳定性判据：**通过绘制系统的奈奎斯特图来分析系统的稳定性。
- **波德图法：**通过绘制系统的波德图来分析系统的稳定性。

# 3.1 单片机硬件配置

#### 3.1.1 单片机选型

单片机选型需要考虑以下因素：

- 性能要求：控制算法的复杂度和实时性要求决定了单片机性能。
- 外设资源：单片机需要具有足够的 I/O 口、定时器、ADC 等外设资源来满足控制系统的需求。
- 成本：单片机的成本应与控制系统的整体成本相匹配。

通常情况下，对于速度闭环控制系统，推荐使用具有以下特性的单片机：

- 主频：大于 10MHz