浙江理工大学（浙江 杭州310018） 朱石林 潘海鹏

1引言

交流电机具有结构简单、坚固耐用、动态响应好、价格低廉、没有机械换向器等一系列优点，由交流电机构成的交流变频调速系统已成功地应用于工程实践[1]。计算机和电子技术的高度发展，促使交流调速逐步从模拟化向数字化转变[2]，在工业控制中，变频调速按偏差的比例 kp、积分 ki和微分 kd进行控制的PID调节器已得到广泛的应用。随着单片机控制技术不断发展，浮点运算能力和运算速度都有很大提高，采用软件技术实现PID算法，缩短了开发周期，降低了成本。针对普通交流调速中过大超调、响应较慢的现象，本文设计了一种基于积分分离PID算法的变频调速系统，以满足一些高性能的调速要求。

2 硬件结构

整个调速系统如图1所示，主要由微处理器AT89C52、D/A转换电路、隔离放大电路、变频器驱动电路、测速电路以及看门狗电路等组成。键盘和LCD显示接口是人机交流的部分：键盘用来输入电机转速的设定值，LCD显示电机的运行状态，出现过压、短路等状况及时报警，直到人为清除故障。如图2所示是电机转速闭环控制原理框图。在电机转速闭环控制中，由光电编码器采集到的脉冲信号经过计算得到反馈值 u（k）与设定值 r（k）进行比较，其差值经积分分离PID算法进行处理，改变单片机P0口输出值并通过执行机构变频器控制电机转速，以达到给定数字 r（k）。

2.1 转速控制电路

系统采用变频器对交流电机转速进行实时控制。

变频器的接口电路如图3所示，变频器U/V/W端子接三相交流电机（电机定子绕组采用Y接法）。当人为设定转速时，单片机发出数字信号给DAC0832，放大隔离后变成0－10V的模拟量送到变频器的AVI端口，变频器U/V/W输出频率随AVI端的电压而变化，AT89C52可对DAC送入不同的二进制数值，在DAC0832的AVI端口得到相应的电压，所以只要改变单片机输出的数字量就可以改变电机转速。此部分中采用线性光耦HCNR200芯片进行信号隔离，其中R1为100K!,R2为500!，R3为100K!。系统还有一些外围电路控制电机的起停、正反转等辅助功能：P2.2用来控制电机的正转/停止，P2.2发出一个数字信号“0”时，在74HC537的1Q端形成一个低电平，光耦发光二极管发光，变频器的FWD端口和公共端DCM接通，电机正转；P2.2发出一个数字信号“1”时，FWD端口和公共端DCM断开，电机停转；同理用P2.3来控制电机的反转/停止，P2.4来控制点动，此部分采用普通光耦PC817芯片进行信号隔离。

2.2 转速检测电路

电路采用光电编码器对交流电机进行实时速度检测。

如图4所示，编码器信号A、编码器信号B经过隔离电路传送到单片机的P3.4、P3.2口。编码器的两相输出信号经隔离放大，送到处理器为两路相角相差90°的方波，根据软件判断电机旋转的方向，在单位时间内检测方波个数，就可以检测出电机的转速。

3 系统软件设计

控制规律的实现是由计算机软件完成的。

软件设计基于KeilC51编写的，采用模块化结构设计，各个功能子块独立。在结构上由1个主程序和6个子程序组成。本系统主要模块有主程序、INT0中断子程序、T0中断子程序、T1中断子程序、积分分离PID算法子程序和显示、键盘处理子程序。主程序进行一系列的初始化等待中断。外部中断INT0服务子程序对光电编码器输出的转速脉冲计数。T0产生5Oms定时中断，T0中断服务子程序对中断次数计数，每20次中断读出转速脉冲计数值，计算出转速并保存到显示缓冲区。T1产生采样周期T定时中断，每间隔T秒中断一次，完成一次PID控制计算，同时调用积分分离PID子程序对测试转速和设定转速进行差值计算得出输出，并由P0送出二进制数调整电机转速。

3.1 积分分离PID算法思想

在实现对速度、温度、压强等物理量的控制中，PID是一种较成熟的算法[3]。在普通的PID控制中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高控制精度。积分分离控制思想是：当控制量与设定值接近设定值时，取消积分作用；当被控量接近设定值时，引入积分作用[4]。

控制实现步骤为：

（1）根据实际情况，人为设定阀值 e＞0；

（2）当｜e（k）＞ e｜，采用 PD 控制；

（3）当｜e（k）&e｜，采用 PID 控制。积分分离控制算法可表示为

经典增量式数字PID的控制算法为：

在实际编程中，可以对积分分离PID进行改进，采用分段积分分离的方式：根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。

3.2 积分分离PID算法实现

普通的PID控制算法中，由于积分系数 ki是常数，在整个控制过程中，积分增量不变。而变频调速系统是一个多变量、强耦合的非线性系统[5]，根据控制要求，系统偏差大时积分作用应减弱，在式（1）中，令 b=0，在偏差小时则应加强，令 b=1。

本设计采用增量式PID算法，只需保持前两个时刻的偏差，从而避免了位置式PID算法中极易产生较大的积累误差。

结合图2的转速闭环控制原理图，可以编制出积分分离PID算法程序，图5是算法模块的程序流程图。

AT89C52单片机内部有256字节的RAM，根据它的运算能力和设计精度要求，运算过程中所有参数和计算值均以多字节浮点数表示。系统运行中，通过定时器T1每间隔T秒中断一次，完成一次PID控制计算，每次采集到的 u（k）都保存到单片机RAM当中，在单片机内存中不断更新前两个时刻的 u（k－1）,u（k－2）的值，再利用u（k－1）,u（k－2）的值计算 e（k－1）和 e（k－2），得到现在时刻的 u（k）的值，从而不断调整被控参数，完成电机转速控制，其中参数更新可由单片机自动完成，也可以由键盘输入。

3.3 PID参数整定

在变频调速系统中，控制效果的好坏与数字控制器的参数紧密相关，正确选择 kp、ki、kd参数是提高控制效果的一项重要技术措施。工程中通常采用经验法整定PID控制器的参数，其措施是根据经验先给定PID参数，然后闭环运行观察系统响应情况，再调节相应参数比例，反复试凑直到控制质量满意为止。这种措施损耗了大量的时间和精力，延长了系统调试时间。

借助开发工具可以节约大量的人力和物力，本系统中采用MATLAB语言仿真系统整定PID控制参数的方法，使得PID控制参数的整定变得简单。根据本系统的PID控制器模型，采用M文件的形式设计出PID控制器，改变输入指令信号 r（k）并可以得到控制器的阶跃响应曲线。在M文件中可以方便地修改 kp、ki、kd的值，通过仿真比较选择PID控制器参数，得到合适的 kp、ki、kd值后固化到单片机中运行。

3.4 仿真结果

针对本设计的变频调速系统进行MATLAB仿真，取 r（k）=50，如图7所示。图中实线为采用普通PID响应仿真曲线，虚线为采用改进的积分分离PID阶跃响应仿真曲线，通过比较得出：积分分离PID控制方法优于普通PID控制。用积分分离PID控制的系统响应时间非常快，只需要0.23s就可以使系统过渡到稳定状态，它有效地减小了超调量，提高了控制精度，证明了在变频调速中积分分离PID控制方法调节质量更佳。

! 结束语

在变频调速系统中采用积分分离PID算法，能实现精确的变频调速闭环控制，调节质量好。积分分离PID控制算法的工程实践性很强，但要根据具体的系统特点来选择修正策略，在实际应用当中可根据误差绝对值的不同采用不同的积分强度。经MATLAB快速整定PID控制参数后固化到单片机运行，利用单片机实时运算和控制功能与软件的灵活性，实现快速稳定的变频调速功能。本设计提高了变频调速的调节质量，降低了系统造价成本，有一定的推广应用价值。

[1]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社,2004,215～216.

[2]包松，鲍可进，余景华.基于单片机PID算法的电机测控系统[J].微机发展,2003，13（8）:72 ～ 74.

[3]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社,2003,1～2.

[4]夏玮，李朝晖，常春藤.控制系统仿真与实例详解[M].北京：人民邮电出版社,2008,274～275.

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