89C52单片机直流电机控制器设计

直流电机，PWM，PID

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89C52 单片机直流电机控制器设计

【摘要】本论文介绍了基于 89C52 单片机的小功率直流电机控制系统。该系统主要功能为：设定直流电机的转

速和转向，通过光电开关对电机测速，将测得的转速值反馈给单片机，单片机经 PI 运算后输出 PWM 信号控制电机运

转。实际测试结果表明该系统的转速误差范围小(±20 圈/分)，调整时间短，转速设定方便快捷，显示直观清楚。本

文还对此系统的性能指标进行了分析。

【关键词】直流电机，PWM，PID

1.前言

由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在

工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着

单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。

现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是

用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的

使用越来越广泛。

与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启

动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大

的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽

调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低

速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很

好的发展前景

[1]

。

1.1 有关技术简介

1.1.1 PWM 控制

[1]

PWM（Pulse Width Modulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制

技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的 PWM 控制技术。PWM 控制是

利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换

的许多领域中。

简而言之，PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制

用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要

么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供

电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。

采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等

而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路

输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在 20 世纪 80 年代以前一直未能

实现。知道进入 20 世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思

想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种 PWM 控制技术。

一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉

冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频

率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此，本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。

1.1.2 PID 调节

[1]

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，

与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较

后，如何才能更好地纠正系统。　　　　

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（ I）和微分单元（D）组成。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化

产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki 和 Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的

一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。PID 是周期性地控制操作。假定控制器的执行频率足够高，以使系统

得到真确控制。误差信号是通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得的。误差的符号表明控制输

入所需的变化方向。

（一） P 项（比例）

 由误差信号乘以一个 P 增益因子形成，使 PID 控制响应为误差幅值的函数。当误差信号增大时，控制器的 P 项将变

大以提供更大的校正量。

 （二） I 项（积分）

 对全部误差信号进行连续积分。因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。累计误差信号乘以一个 I 增

益因子即成为 PID 控制器的 I 输出项。

 （三） D 项（微分）

D 项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。该误差乘以一个 D 项增益因子即成为 D 输出项。系统误

差变化的越快，控制器的 D 项将产生更大的控制输出。

PID 控制具有以下优点：

应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化

的系统，这样 PID 就可控制了。

参数较易整定。也就是，PID 参数 K

，K

和 K

可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，

例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。

PID 调节中参数的选择方法：

在数字 PID 控制中，如果采样周期选得比较小，则 PID 控制参数 K

、K

和 K

可按模拟 PID 控制器中的方法来选

择。

在对电动机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。在

各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。另外，控制变量不宜过大，以避免系统过载。显然，上述要求要都满足

是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，抓主要方面，兼顾其他方面。

在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。对于电动机控制系统，一般常用 PI 或 PID 控制器接口，以保证

被控系统的稳定，并尽可能清楚静态误差。

PID 参数的选择有两种可用方法：理论设计法和试验确定发。理论设计法确定 PID 控制参数的前提，是要有被控

对象准确的数学模型，着在电动机控制中往往很难做到。因此，用下列试验确定法来选择 PID 控制参数，就成为目前

经常采用的，并且是行之有效的方法。

凑试法

凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改

变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。凑试前，要先了解 PID 控制器参数值对系统的响应有哪些影响。

增大比例系数 K

，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统有较大的

超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。

增大积分常数 K

，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。

增大微分常数 K

，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。

在考虑了以上参数对控制过程的影响后，凑试时，可按先比例—后积分—再微分的顺序反复调试参数。具体步骤

如下：

首先只调节比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，知道得到响应快，超调量小的响应曲线

为止。如果这时系统的静态误差已在允许范围内，并且达到 1/4 衰减度的响应曲线（最大超衰减到 1/4 时，已进入允

许的静态误差范围），那么只需用比例环节即可，比例系数可由此确定。

如果在比例调节的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，则必须加入积分环节。积分常数在凑试时，先给

一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减少（例如取原值的 80%），然后逐渐减少积分常数进行凑试，

并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数值和积分常数值，直到消除静态误差，并且保持良好的动态性能为止。

如果使用比例积分环节虽然消除了静态误差,但系统的动态性能仍不能令人满意,这时可加入微分环节。在凑试时，

可先给一个很小的微分常数，以后逐渐增大，同时响应地改变比例系数和积分常数，知道获得满意的效果为止。

1.2 直流电机的特性及调速方式

绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。N、S 为—对固定

的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)，两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个

线圈。

当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢

的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则

所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。

这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转

矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一

起旋转。

换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷 A、B 相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，

直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换

向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 N 极下，其中通过电

流的方向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极下时，总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流

始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理．

直流电机的调速方法有：

(一)电枢串电阻调速：电枢回路串接电阻后，电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变，在恒负载下使转速发

生变化。该调速方式的优点是控制装置很简单；缺点是转速受负载的影响较大，在空载时几乎没有调速作用，

而在重载低速运行时特性显得太软，而且功耗很大。

(二)改变电枢电压调速：当电动机采用这种方式，其机械特性随电枢电压的改变而产生平移，所以它的调速范围较广。

电枢电压的调节常用晶闸管整流装置实现，但低速运行时功率因数变低，而且在交流侧出现较多的谐波成分，

对电网不利。

(三)PWM 直流调整系统：其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等的脉冲信号，做功率放

大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比，便可以改变输出平均电压。将 PWM 输出电压接至直流电动机

的电枢两端，便可组成性能优良的调速系统。该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉

动小及对电网污染小；但因系统较复杂，造价也相应地提高。

(四)双闭环直流调速系统：该系统的反馈量电流和转速信号，分别送入电流调节器和速度调节器。调节器按 P-I（比

例—积分）方式实现调节。由电流调节器组成的闭环称为电流环。由速度调节器组成的闭环称为转速环，电流

环用于控制电流，转速环用于控制转速。

(五)数字式直流调速系统：目前较先进的直流调速系统均采用数字控制，从积分调节器到触发装置，以及其他控制功

能均由微处理器来实现。它具有调速性能高、工作可靠和体积小等特点。数控装置设有键盘和 LED 显示器，可

方便地利用键盘进行各项运行参数的设定。此外，它还具备自诊断及完善的保护功能。

改变励磁的恒功率调速：从直流电动机的机械特性的公式可看出，当磁通减小电动机的转速也随之提高。

由直流电机的电压平衡方程式：

U = e+IR

其中 I 为电机线圈电流，R 为线圈电阻，e 为电机的反电势， e = C*Φ*ω,式中，C 为电机结构常数，为一常量；

Φ 为线圈磁通；ω 为电机转动角速度。于是将 e 代入电压平衡方程式中，可得：

U = C*Φ*ω+ IR

经过移项之后就可得出角速度和电压的关系式：

ω = （U-IR）/ C*Φ

从上式可以看出，改变外接电压 U,电机回路电阻 R, 磁通 Φ，可改变电机转速。本实验所用直流电机为永磁式,

磁通 Φ 不可改变,而改变电机回路电阻 R 来调速的方式,已不多见,所以采用改变外接电压 U 的调速方式,

1.3 系统设计功能要求

本设计是要利用 89C52 单片机控制 PWM 调速电路实现小功率直流电机的转速调节。而本系统必须符合以下几

点要求：

(1) 在(1000—5500)转/分内对直流电机进行任意调速，最小调速级差为 1 转/分。

(2) 电机能在所设速度下稳定运转，运转速度与设定速度之差小于±20 转/分。

(3) 电机启动和加减 80%额定负载时,其转速能迅速回到设定值，转速超调±5%内。

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