EEPW论坛

案例分享：3-2 减速编码电机控制实验

一、实验目的：

（1） 理解PID控制原理。

（2） 学习增量式PID算法的原理。

（3） 掌握PID闭环控制电机的实现。

二、实验原理：

模拟PID控制原理

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。PID控制器原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单。

模拟PID控制系统的常规原理框图如下图所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。

e(t)=r(t)-y(t)

控制偏差e(t)是PID控制的输入，u(t)是PID控制器的输出和被控对象的输入。模拟PID控制器的控制规律为

控制器的输出与输入误差信号成比例，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在模拟PID控制器中，比例控制的作用是对偏差瞬间做出反应。偏差产生后控制器立刻起控制作用，使偏差变小。比例系数Kp决定了控制作用的强弱，Kp越大，控制作用越强，过度越快，偏差也就越小。但是Kp越大，也更加容易产生振荡，破坏系统的稳定性。因此，比例系数Kp必须选择适当，才能使过渡时间变小，偏差小又稳定。

增量式PID算法

数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。在本实验中使用的增量式PID算法。增量式PID控制算法只需要计算控制量的增量。

可得控制器在第k-1个采样时刻的输出值为：

如果采用恒定的采样周期T，一旦确定了A、B、C，只要使用前后3次测量值的偏差，就可以求出控制增量。

除此之外，还有另一种算法：

PID算法程序解析

打开光盘资料的"Demo\KingBox\Application\DC_GEAR_MOT\main.c"文件，可查看相关代码。比例常数、积分时间常数、微分时间常数和调控周期如下：

主函数中首先初始化系统控制，配置CPU主频、寄存器和初始化PIE控制等。调用InitMeasureSpeed函数初始化时钟、中断等。InitMeasureSpeed函数如下：

InitMeasureSpeed函数中，cpu_timer0_isr定时器中断函数中定时采集速度，并用于PID算法。freq.freqhz_pr为采集的电机脉冲数，M0_PWM_ON为高电平时间，M0_PWM_ON_NEW为新的高电平时间，PWM_ON_PID是经过PID算法后的高电平时间。cpu_timer0_isr定时器中断函数如下：

三、实验步骤

（1）对实验设备进行硬件部分连接，连接好仿真器和USB串口线（默认为USB to UART串口输出）并上电。

（2）右击计算机图标，点击“设备管理器->通用串行总线控制器”或者“设备->端口（COM和LPT）”，查看是否有对应的仿真器的选项出现，如有说明仿真器驱动已经正常安装，否则请先正确安装CCS。同时查看串口的端口号。

（3）打开串口软件并设置串口调试工具，波特率为115200。

（4）按照工程导入步骤导入光盘资料"Demo\KingBox\Application"路径下的DC_DEAR_MOT工程。

（5）编译工程生成DC_DEAR_MOT.out的可执行程序。

（6）实验箱上电，确认仿真文件（.ccxml 文件）配置，并连接CPU。

（7）加载DC_DEAR_MOT.out可执行程序，并运行程序，本实验的功能是实现PID闭环控制电机。

四、实验现象

运行程序之后，串口显示如下图所示：

同时，数码管显示电机的转速和转向（0是转速，F代表顺时针转），如下：

第一次按下按键1后，减速直流电机开始顺时针（Forward）转动，占空比（DutyCycle）约为12%，转速（Speed）约为60R/min，显示如下图所示：

按下按键3后，电机会停止转动，同时串口打印电机转向为逆时针（Backward），电机转向由顺时针改为逆时针，如下：