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基于PID控制的直流电机调速系统

1绪论

1.1本课程的选题背景

PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年

代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单，

参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中，由

于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理

论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实

现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性，

PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数

字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。

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，

在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电

子器件的出现和迅速发展，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，已经出现了多种

PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最

广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了

学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控

制技术发展的主要方向之一。

在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在

调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现

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和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计

算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进

行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行

精确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。实时仿真是对时间点的动

态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿

真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用

Proteus对直流电机控制系统进行仿真。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文

章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利

用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输

入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控

制，实现电机的调速控制。

1.2直流电机简介

1.2.1直流电机的发展历史

电机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转

变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台

电机。电机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个

臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。

电机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提

供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了2.2公里，但这不影响

电机实验的成功。电机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，

也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有

商业价值。

电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在1870年时比利时的工程

师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的

效率进行提高。电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在

格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展

览会上获得一片喝彩声。

1.2.2直流电机的特点

直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直

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流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发

电机