徐丹杰,趙 冰

（1.廣東省機械技師學(xué)院,廣東 廣州 510450；2.廣東省技師學(xué)院,廣東 廣州 510800）

引言

PID 控制器是由比例- 積分- 微分三個單元組成的一個反饋回路控制部件,廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制應(yīng)用中。在PID 算法中,既要考慮控制對象的當(dāng)前狀態(tài)值（現(xiàn)在狀態(tài)）,還要考慮控制對象過去一段時間的狀態(tài)值（歷史狀態(tài)）和最近一段時間的狀態(tài)值變化（預(yù)期）, 將這3 方面的值共同來決定當(dāng)前的輸出控制信號；比例、積分、微分三種運算組合時,優(yōu)化調(diào)整參數(shù)相互配合,在系統(tǒng)控制時可以起到快速、及時調(diào)節(jié)偏差,提高了控制的靈敏度,提高系統(tǒng)控制精度,改善穩(wěn)態(tài)性能和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,從而能達(dá)到良好的控制效果。

在硬件PID 電路中,一般是采用運算放大電路構(gòu)成比例、微分、積分電路三個單元電路,再將三個單元電路進行求和輸出控制信號,純硬件電路的調(diào)試過程繁雜,對元件的要求和電路的設(shè)計要求較高,軟件PID 可以配合少量硬件,基于單片機來實現(xiàn)。設(shè)計一個基于硬件與軟件結(jié)合一體的PID 電機調(diào)速電路[1],能對直流電機的轉(zhuǎn)速進行一定的調(diào)整,從而使電機在空載和一定的負(fù)載情況下,均可能得到恒定的轉(zhuǎn)速,電機的轉(zhuǎn)速通過數(shù)碼管或是LED屏進行顯示。將兩種PID 調(diào)速的性能特點進行對比分析,可通過開關(guān)進行實時的切換,為實際應(yīng)用提供更加成熟的可借鑒方案。

1 硬件PID 的實現(xiàn)

1.1 F/V 轉(zhuǎn)換電路

整機硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 。將電機轉(zhuǎn)速通過霍爾傳感器檢測出來,霍爾傳感器輸出為一般輸出方波信號。方波的低電平一般在0～0.5 V,高電平一般大于1 V。這種PWM方波信號要通過轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換成直流電壓信號。這里可以采用CD4013 來實現(xiàn)F/V 功能的轉(zhuǎn)換。

圖1 硬件PID 電路結(jié)構(gòu)框圖

原理如圖2：當(dāng)霍爾傳感器檢測到電機旋轉(zhuǎn)時,會從霍爾傳感器的1 腳輸出如圖所示的矩形波,該矩形波的占空比保持不變,矩形波的頻率按照電機的轉(zhuǎn)速成正比變化。當(dāng)CLK 脈沖的上升沿到達(dá)時,使CD4013 的輸出翻轉(zhuǎn)為高電平（時序見真值表1）。

圖2 F/V 轉(zhuǎn)換電路

表1 CD4013 真值表

此時,CD4013 的1 腳輸出的高電平將通過電位器R20 對電容C6 充電,當(dāng)C6 充電達(dá)到高電平時,使其4 腳復(fù)位信號（R 為高電平）有效,電路復(fù)位,CD4013 的1 腳輸出低電平,此時電容再通過二極管D4、R25 快速放電,基本在下一個CLK 上升沿到達(dá)前已經(jīng)放電完成,4 腳（R）處于低電平,即循環(huán)至一下周期。從實物的波形對比上來看,CD4013 的1 腳輸出端子的信號為占空比不變,頻率按電機轉(zhuǎn)速變化而變化的矩形波,將該矩形波通過R26 與C7 組成的RC 濾波器濾波后輸出直流電送入信號調(diào)理電路。

1.2 信號調(diào)理電路

原理如下：由F/V 信號輸出的電壓送入反相跟隨器做緩沖后進入第二級電壓放大（可調(diào)最大到5 倍）。再經(jīng)求和電路輸出在POUT 端子,以便與PID 調(diào)節(jié)電路進行合適地比較。

1.3 PID 調(diào)節(jié)電路

比例環(huán)節(jié)：集成運算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)采用電阻從而構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路,即是一個比例環(huán)節(jié)。

積分環(huán)節(jié)：如果系統(tǒng)存在穩(wěn)定狀態(tài),積分環(huán)節(jié)將始終給跟蹤穩(wěn)定狀態(tài),有時表現(xiàn)為適應(yīng)不斷變化的干擾。根據(jù)以上思路,可以得到一個比較簡單的比例積分環(huán)節(jié)。

原理如下：信號調(diào)理電路送出的POUT 信號經(jīng)過IC5 與PID 給定信號（由電位器R34 產(chǎn)生）進行比較,輸出經(jīng)由IC1A 構(gòu)成的比例運算電路、IC1B 構(gòu)成的積分電路和IC1C 構(gòu)成的微分電路進行求和運算經(jīng)IC1D 輸出到VOUT 端。電位器R1 可調(diào)節(jié)比例因子,R10 可以調(diào)節(jié)積分因子,R11 可以調(diào)節(jié)微分因子。調(diào)試時,應(yīng)先將R10、R11 的值調(diào)節(jié)至使電路不起作用的位置（即等效電阻為0）。然后再調(diào)節(jié)R10,R11 使其電路能正常輸出即可。在本電路中,積分和微分的效果需要反復(fù)不斷地調(diào)節(jié)。

1.4 PWM產(chǎn)生電路[2]

原理見圖3,直流電機的驅(qū)動需要PWM 信號來控制,PWM 信號的占空比的大小與電機的轉(zhuǎn)速成比例,利用滯回比較產(chǎn)生矩形波,經(jīng)積分電路得到三角波,PWM 信號的產(chǎn)生可以利用三角波與PID 調(diào)節(jié)的直流電壓信號進行比較得到。

圖3 H 橋驅(qū)動電路

直流電機的PWM信號需要較大的電流,而單片機輸出的電流信號較弱,無法直接驅(qū)動電機,需要利用三極管或是MOS 管構(gòu)成“H 橋”電路來實現(xiàn)驅(qū)動,MOS 管作驅(qū)動時,可以獲得更大的驅(qū)動電流,要實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制,需要四個MOS 管構(gòu)成上下兩個半橋,將電機接與橋臂之間。電機動轉(zhuǎn),電流導(dǎo)通的路徑是對角線上的一對場效應(yīng)管,另外一個對角線的場效應(yīng)管截止。電流從電機的左流向右,或是右流向左,從而控制電機的正反轉(zhuǎn)。

H 橋式[3]電機驅(qū)動電路包括4 個場效應(yīng)管（三極管）和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn),必需導(dǎo)通對角線上的一對場效應(yīng)管（三極管）。依據(jù)不同效應(yīng)管（三極管）對的導(dǎo)通狀況,電流可能會從左至右或從右至左流過電機,從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

滯回比較器產(chǎn)生矩形波后再經(jīng)積分得到三角波,將三角波與PID 調(diào)節(jié)的直流電壓信號進行比較就可以得到PWM信號了,該信號就可以作為驅(qū)動H 橋電機的驅(qū)動信號,以控制電機的轉(zhuǎn)速?？刂圃砣缦拢寒?dāng)SW3 處于1 檔,即接通了PWM。

將SW2 處于1 時,IC3A 的1、2 腳接高電平,3 腳輸出低電平。IC3C 的10 腳輸出高電平,從而使FT3 截止,FT4 導(dǎo)通。IC3D 的11 腳輸出電平由PWM決定,當(dāng)PWM為高時,IC3D 的11 腳輸出高電平,FT1 截止,從而使電機無電流流過。當(dāng)PWM為低時,IC3D 的11 腳輸出低電平,FT1 導(dǎo)通,從而使電流經(jīng)FT1 至電機再流過FT4 到地,通過改變PWM 的占空比,可使電機上面的平均電壓得到相應(yīng)的變化,從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)SW2 開關(guān)處于3 檔時,IC3A 的1、2 腳接低電平,3 腳輸出高電平。IC3D 的11 腳輸出高電平,從而使FT1 截止,FT2 導(dǎo)通。IC3C 的10 腳輸出電平由PWM決定,當(dāng)PWM為高時,IC3C 的10 腳輸出高電平,FT4 導(dǎo)通,從而使電機無電流流過。當(dāng)PWM 為低時,IC3C 的10腳輸出低電平,FT3 導(dǎo)通,從而使電流經(jīng)FT3 至電機再流過FT2 到地,通過改變PWM的占空比,可使電機上面的平均電壓得到相應(yīng)的變化,從而控制電機的轉(zhuǎn)速。通過SW2 的開關(guān)位置,改變電機電流的流向,從而改變了電機的轉(zhuǎn)速,整體電路圖見圖4。

圖4 PID 硬件電路圖

2 軟件PID 算法

系統(tǒng)采用增量型PID[4]算法來實現(xiàn),其原理是對位置型PID 取增量,將相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值作比較（減法),作為系統(tǒng)控制器的輸出結(jié)果,如果控制量輸出結(jié)果是增量,對應(yīng)上一次的控制量需要增加控制量,反之為減少控制量。

KP為比例系數(shù),KI為積分系數(shù),KD為微分系數(shù),e（k）為誤差,e（k-1）：誤差變化。

為了實現(xiàn)這個公式：在STM32 單片機[5]（可以使用性價比高F0 系列）中做下面的程序設(shè)計：PID 運算實現(xiàn)過程仍然是分為定義變量、初始化變量、實現(xiàn)控制算法函數(shù)——PID 運算函數(shù)。把單片機IO 口接至傳感器輸出端采集電機轉(zhuǎn)速的輸出端,利用單片機輸入中斷對信號進行采集,得到當(dāng)前電機的轉(zhuǎn)速,把當(dāng)前實時轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速都傳入PID 運算函數(shù)中,這個PID運算函數(shù)按照增量式計算公式能自動分析計算,輸出調(diào)整量。再把我們設(shè)定的當(dāng)前量與調(diào)整量作疊加即是實際輸出控制電機的PWM了,實現(xiàn)流程見圖5。

圖5 軟件PID 實現(xiàn)流程

3 結(jié)論

本設(shè)計的方案是探索PID 硬件與軟件調(diào)節(jié)方式的共同實現(xiàn),在同一電路上對同一目標(biāo)電機進行實驗,均取得了預(yù)期的效果,經(jīng)過對比,用硬件電路實現(xiàn)的PID 是模擬量輸出,是連續(xù)的,控制精度上要好于軟件,但軟件PID 使用簡單、靈活、調(diào)節(jié)也更方便。硬件PID 能為電路分析初學(xué)者提供完整的電路結(jié)構(gòu)和完整原理性的功能展現(xiàn)。兩種在電工電子業(yè)專業(yè)的教學(xué)和實際產(chǎn)品的研究中可分別提供較好的借鑒思路。