基于直流电机的PID转速控制实验设计探究

DOI:10.19551/jki.issn1672-9129.2020.23.033

基于直流电机的PID转速控制实验设计探究闫要鹏1㊀李㊀梦2(1.南京模拟技术研究所㊀江苏㊀210016;2.南京工程学院㊀江苏㊀211167)

摘要：为了能够将电子㊁自动控制等实验的精度有效提高，同时将实验的创新性和可操作性拓展，本文主要以传统的直流电机PID传速控制实验为基础，将其与NI ELUIS平台进行结合，设计出了以虚拟的仪器为基础的一种PID调速控制的实验㊂通过虚实结合方式，积极利用仿真和实验测试的结果，能有让整个实验环节更加准确和可靠，也能有效调动学生的学习兴趣和实验的积极性，具有非常重要的意义㊂

关键词：虚实结合；直流电机;PID转速控制；实验设计

中图分类号:TM33㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2020)23-0032-01

㊀㊀在数字化时代，各种实验的设计与开发中，虚拟仪器都

得到了比较广泛的应用，其与传统的实验装置相比，拥有较

高的实验精度，而且更富有创新性，使用虚拟仪器进行试验,

学生也可以独自设计出一些扩展性的实验，帮助学生提高动

手能力㊂

1㊀设计虚实结合的直流电机PID转速控制实验研究

对直流电机的PID转速控制实验进行设计，主要实现通

过实验比较直流电机实际转速与标准定值之间的差距，然后t型槽尺寸

再利用PID对实际转速进行控制，从而保证实际转速处于标

准的范围内，在本文研究中所使用的硬件电路包括直流电机

以及转速的传感器，有效利用光电传感器对准接收器，如果

发出的光被遮挡之后，则传感器的输出则会发生一定的变

化，最后再使用脉冲计数对转速进行实时的测量㊂软件主要

是以LabVIEW为基础，能够采集传感器输出的脉冲，并控制

电机转速的PID㊂在本实验中可以让转速传感器两端采集

手机座充>干衣柜到的脉冲波形以及电机实际转速和给定转速等输出的波形

显示出来，而且还可以手工将PID参数进行设置和改变，从

而对电机进行调节㊂

2㊀虚实结合的直流电机PID转速控制实验设计研究

2.1构建PID控制模型㊂PID调节就是对电机当中的比crpd-366

例㊁微分等进行控制，通过对设定的标准值以及输出值之间

存在的偏差进行比较，从而对微分等进行比较，使用相对比

拼接墙

较灵活，且用途较广，在使用的过程中只需要设置K P㊁K i㊁T d

的三个参数，在一般情况下,PID调节控制的规律如下:

u(t)=K p[e(t)+1

T iʏt0e(t)dt +T d de(t)dt]

上式中K P表示放大系数;T i表示积分常数,T d表示微分常数㊂

使用PID调节器具有以下作用：运用在比例环节中，可以将控制系统中存在的偏差信号e(t)成比例地反映出来，一旦产生偏差，控制器就会进行控制，减小存在的偏差数据；运用在积分环节中，主要是消除存在的静差，再提高系统当中的无差度㊂

本文比较给定速度n0(t)以及实际转速n(t)，可以经过PID控制器调整差值e(t)=n0(t)-n(t)，然后将电压的控制信号调整后输出，让u(t)对直流电动机进行驱动，从而改变其转速，就可以进行调压和调速㊂

2.2设计硬件电路㊂本文所采用的直流电机的型号为GA12-N20，其电压为12V㊂首先需要NI ELVISmx中的可调电压源启动，将原型板(SUPPLY+)与电机正极连接，然后利用可调的电压源供电，在原型板(GROUND)端与负极相连接，然后在原型板(+5V)端连接转速传感器VCC端，将原型版的5V电压源利用起来，实现供电㊂把原型板(GROUND)端连接转速传感器GND端并接地，在原型板左上方的(AI7 +)连接转速传感器的DO端，再将传感器的输出脉冲通过AI7端口输入到软件中，从而采集脉冲，最后将原型板(GROUND)端连接(AI7-)端接地，观察灯亮起的情况，如果红灯和绿灯都亮其，则说明通电成功㊂再在传感器凹槽中放入不透光的物体，如果发现绿光熄灭，则整个模块可以正常使用，在电机转轴上套上一个带有小孔的不透光圆盘，在每一次小孔内穿过光束之后进行计数，将脉冲波形实时采集，并对转速进行计算㊂

2.3系统软件的设计㊂在该系统中所使用的是Lab-VIEW软件，软件系统包括前面板㊁电机转速PID控制模块以及转速实时测量模块㊂测量电机转速首先要将反映转数的脉冲信号实时采集，其次要计算电机的转速，首先需要将转速传感器输出的脉冲波形用DAQ助手在前面板显示出来，然后对周期换算进行采样从而转换脉冲信号，并将计算的结果在前面板实时显示出来㊂

电机转速PID控制：可以在前面板的控制面板模板中设置期望输出转数值以及PID参数，电压经过调节后可以进入到原型板端中，从而实现给电机供电的目的，帮助电机实现转速调节㊂

3㊀分析实验结果

在该系统中设置前面板的定值为409r/min,PID参数中的P为0.004,I为0.01,D为0，将程序运行㊂通过实验可以知道，实际的转速为406r/min，误差在小于1%㊂对误差分析可以了解到，主要是不透光圆盘在运行的过程中由于质量较轻，容易出现不稳定的情况，所以就会出现误差，而且选择的PID参数可能不是最优参数，因此也会存在误差㊂这样分析输出结果，可以积极引导学生分析实验中的每一个环节，从而将学生分析和解决问题的能力有效提高㊂

4㊀结束语

本文主要研究了虚实结合的直流电机PID转速控制实验设计，可以知道使用虚实结合进行的实验与传

统实验相比更具创新性，能不断巩固学生对相关知识的理解，让学生能够在学习过程中不断提升自己的动手操作能力，得到更全面的发展㊂

参考文献:

[1]朱琴跃，王晨，范清雯，赵亚辉.虚实结合的直流电机PID转速控制实验设计[J].实验室科学,2018,21(06): 15-19+23.

[2]马艳，韩佳，刘晓艳.基于模糊PID算法的无刷直流电机转速控制研究[J].自动化与仪器仪表,2018(03):35-37+41.

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