直流电机数字控制调速系统的研究

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毕业论文专业：***年级：***姓名：***学号：***论文题目：直流电机数字控制调速系统的研究

目录摘要……………………（3）1引言……………………（4）1.1电气传动的发展概况………………（4）1.2直流电机数字控制调速系统的发展概况…………（5）1.3本论文的主要研究内容……………………（6）2直流电机的调速方案…………………（6）2.1直流电机调速方案简介……………（6）2.2晶闸管相控调压调速系统…………（9）3直流电机数字控制调速系统的设计………………（15）3.1控制系统设计的原则与步骤……………………（15）3.2系统总体结构……………………（19）3.3控制模块……………（21）3.4同步中断模块……………………（23）3.5触发脉冲输出驱动模块……………（26）3.6速度反馈模块……………………（28）3.7电流反馈模块………………………（30）3.8显示模块⑾…………（31）3.9小结…………………（32）4直流电机数字控制调速系统的PI控制……………（33）4.1控制软件流程…………………（33）4.2数字PI控制………………………（35）4.3数字PI控制器的参数整定⑾⒂…………………（39）5实验运行结果及分析…………………（42）5.1系统开环运行实验⒃……………（42）5.2系统闭环运行实验⒃⒄……………（43）6直流电机数字控制调速系统技术前景……………（44）6.1锁相环速度控制技术的应用⒅⒆⒇………………（44）6.2自适应PID控制技术的应用⒁…………………（47）6.3远程控制⑻…………（49）结论……………………（50）致谢…………………（51）参考文献………………（52）

直流电机数字控制调速系统的研究摘要本文简述了直流电机的调速原理，并提出了一种以80C196KC为控制核心的直流电机数字调速系统。简述了系统的总体结构，对系统的各个功能模块的设计思想和实现方案做了详细介绍。其中带数字锁相环的单通道相对触发，由光电脉冲编码器构成的数字速度反馈以及电流四点式同步采样的技术运用，大大提高了整个控制系统的调速性能。最后对该系统不足提出了改正方案，并展望了技术前景，提出了锁相环速度控制，自适应PID控制以及远程控制的技术方案。经过实验运行，验证了该系统的调速性能已达到设计要求。关键词：直流电机，调速系统，，PI控制，80C196KCTheResearchofFulldigitalspeedcontrolsystemforDCmotorAbstractTheprincipleofspeedcontrolsystemforDcmotorisbriefed.FulldigitalspeedcontrlsystemforDCmotor,whichconsistsof80C196KCsingle–chipprocessor,ispresented.Systmconfigurationisbriefed.Thedesignrulesandrealzationschemesofeachfunctionalmodulearedescribedindetail.theappplicationofsinglechanneloppositetriggerwithdigitalPLLdigitalspeedfeedbackwithrotaryencodefourstepssynchronoussamplingimprovedthespeedcontrolperformancegreatly.Atlast，thecorrectionplanispresentedtomakeuptheshortageofthissystem.Andprospecteitstechnicaldevelopment.ThePLLspeedcontrol,selfa-daptingPIDcontrolAndremotecontroltechnicalschemearepresentd.Theperformanceofthissystemisprovedachievingtherequestbytheexperiments.Kyewords：DCmotor,speedcontrolsystem,PIDcontrol,phaselocked,80C196KC1.引言1.1电气传动的发展概况电气传动是指各类电机为动力的传动装置与系统。因电机种类不同，分为直流电动机传动（简称直流传动）、交流电动机传动（简称交流传动）、步进电动机传动（简称步进传动）、伺服电动机传动（简称伺服传动）等等。众所周知，和交流调速相比，直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速传动中占统治地位。三十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用以久的直流发电机—电动机组成及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的飞跃。同时，控制电路已实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。然而，直流电气传动在结构上具有固定的缺陷，即有机械式换向器（碳刷、整流子），从而严重影响了他在应用上的统治地位和发展。八十年代初期，由于新型电力电子器件，如GTO、GTR、IGBT的出现，现代控制理论及计算机控制技术的发展，交流电气传动取得了重大进展，交流调速系统的性能指标逐步可以与直流调速全面抗衡和媲美，同时，交流传动具有容量大、速度高、惯量小、维修方便，可在恶劣环境中运行等优点，所以，交流电气传动开始进入一向是直流电气传动占领的高性能调速领域。交流调速替代直流调速是技术发展的必然趋势，但纵观全局，由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应当相当普遍，尤其是全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的控制精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速性能要求较高的工业传动场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍处于主要地位。早期，直流传动的控制系统才采用模拟分立器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着单片机控制技术的发展，直流传动控制系统已经广泛使用单片机，实现了全数字化控制。由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速系统的控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线，全数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。所以，直流传动控制采用单片机实现全数字化，使直流调速系统的出现，延迟了直流电气传动被取代的进程大约十至二十年。1.2直流电机数字控制调速系统的发展概况目前，国外主要电气公司，如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。可是我国现在还没有自主的全数字控制直流调速装置商用。由于进口设备价格昂贵，于是给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。本课题正是应这样的市场要求而下产生的。根据目前的发展，展望未来，全数字控制直流调速系统必将向高性指标方面发展，朝调试手段先进，控制、通讯功能更加丰富的方面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高，于交流传动展开全面的竞争。因此，还有必要更进一步研究全数字直流调速系统，进而填补目前市场上国产权控制直流调速装置的空白。1.3本论文的主要研究内容论文仔细分析了直流电机调速系统的数学模型，进而选定转速、电流双闭环数字PI控制方案，研究了全数字直流调速系统的系统构成，各个功能模块的具体实现方法。着重研究了调速系统的触发环节、电流与速度控制环节。本文的主要研究内容如下：1.研究了直流电机数字控制调速系统的数学模型；2.明确提出了控制系统设计的一般步骤；3.设计了一套基于80C196KC的直流电机数字控制调速系统；4.研究了由数字PI控制器构成的转速、电流双闭环控制在直流电机数字控制调速系统中的应用；5.调速系统的软硬件设计、调试与测试；6.展望了直流电机数字控制调速系统技术前景，提出几种可能的发展方向。2直流电机调速方案本章在直流电机的基本方程的基础上，简单介绍了直流电机的基本调速方法，并初步介绍了本控制系统采用的转速、电流双闭环调速系统。关于双闭环调速系统的详细性能分析将在第五章中涉及。2.1直流电机调速方法简介⑴大家知道直流电动机的转速与其它参量的关系为：式中n电动机转速；Ud电枢电压；Id电枢电流；Rd电枢回路总电阻；Ce由电机结构决定的电势系数；励磁磁通。图2-1为恒压供电时的电动机的机械特性。可意见得在供电电压恒定的情况下，转速n会随着负载的增加而略有降落。由式（2-1）可见，直流电机的调速可以有四种方式：改变电枢电压Ud；改变励磁电压Ul(即改变励磁磁通)，改变励磁回路电阻Rf,改变电枢回路总电阻Rd。这四种调速方案的特点介绍如下：1.改变电枢电压Ud相当于改变机械特性的其实点no的大小，而n则不受影响。由式（2-1）可见，在一定的负载下，增大Ul即可增加转速n，其调速特性如图2-2所示。采用改变电枢电压调速的系统称为调压调速系统。它是最常使用的调速方案。2.改变励磁电压Ul相当于改变励磁磁通，该调速系统称为调磁调速系统。增大励磁电压Ul以使励磁磁通增大，由式（2-1）可见，转速将降低，但电动机的工作磁通一般都接近饱和状态。所以增的余地是不大的。若减小Ul使减弱，则可速升高，机械特性将会变软。其调速特性如图2-3所示。此外，减弱磁场，将使电动机的电磁转矩Md减小，若负载转矩不变，则必然导致电枢电流Id增加，进而导致机械特性变软和发热加重，通常只在额定转速以上才采用调磁调素的方案。3.改变励磁回路的电阻Rf也可以改变励磁磁通，因而可以改变电动机的转速，也属于调磁调速系统。这种调速方法的优点是由于励磁回路电流很小，只有额定电流的1~3%，所以不仅调节电阻非常轻便，而且调节电阻上所引起的能量损耗也很轻微，故简单而经济。用这种方法来调速，最高转速与最低转速之比约为4∶1左右。调速范围的大小受下面因素决定：①由于励磁绕组本身固有的电阻及磁路饱和的影响，磁通不可能过分增加，转速也不可能过分降低。②如果转速过高，转子上的结构部件将承受不住巨大的离心力而损坏;转速过高时，电机换向将发生困难，所以电机的转速也不能过高。4.改变电枢回路电阻R实际上是在电枢回路中串接一附加可变电阻R，利用电枢电流Id在R上的压降，使转速降低。由式（2-1）可见，增加了n使转速降低，其调速性能如图2-4所示。这种调速方案的机械特性软，而且很不经济，电枢电流会在调速电阻R上产生很大的铜耗，因而降低了电动机的效率，一般较少采用。但由于它无需很多设备，在调速比不大(2:1以下)的小功率调速系统中，仍有应用。考虑到各种调速方案的特点，工业应用场合中通常使用改变电枢电压调速，即我们所说的调压调速，本系统也采用调压调速。2.2晶闸管相控调压调速系统这里我们采用了比较成熟的晶闸管相空调压调速系统。它的整流功能由晶闸管组成的三相全控桥实现。经工业场合的实际应用证明，该方法调苏醒能稳定，精度较高。为了获得良好的动、静态调速性能，该系统采用了转速、电流双闭环调速系统。其中电流环为内环，由电流负反馈环节构成；转速环为外环，由转速负反馈构成。双闭环调速系统的原理介绍如下。2.2.1转速，电流双闭环调速系统⑵常用的调压调速系统分为单环与多环调速系统。为了获得理想的动、静态性能，通常都采用转速、电流双闭环调速系统。图2-5为转速、电流双闭环调速系统原理图 在双闭环调速系统中，电流调节器LT和转速调节器ST均为具有输出限幅的PI调节器，当输出达到饱和值时，输入量的变化不再影响输出，除非累加反向的输入才能使调节调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器LT设计成总是不会饱和的，而转速调节器ST有时运行在饱和状态。1.双闭环调节系统静特性分析双比环调速系统的静特性可以按转速调节器ST在运行中的两种情况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值来进行。（1）速度调节器ST不饱和时两个调节器的输入偏差均为零，所以Ugn=Ufn=n或n=Ugn/（2-2）式中速度反馈系数。其对应的特性如图2-6中noA段所示。同时Ugi=Ufi=Id（2-3）且Ugi＜Ugim所以Id＜Idm式中Idm电枢电流最大值；Ugim速度调节器输出限幅电压，在电枢电流最大值处取得；电流反馈系数。（2）速度调节器ST饱和时Ugi达到Ugim时，转速的变化对系统不发生影响，转速外环呈开环状态，此时系统变成一个单电流无静差调速系统。Ugim=Ufi=Idm或Id=Ufi/b=Idm（2-5）这时系统的静态特性如图2-6中的A-B段。由于实际运算放大器的开环放大系数并非无穷大，静特性的两段曲线均有很小静差度。如图2-6中的虚线所示。2.双闭环调速系统的动态性能（1）动态跟随性能在起动和升速过程中，能在电流受过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。（2）动态抗扰性能在闭环调节系统上，对于被反馈环包在内的一切扰动量，系统都能发挥抑止作用，因为一切扰动量最终都要反映到被调量（转速）上来，都可以通过测量出被测量的偏差而进行调节。系统的主要扰动量是负载扰动，在其次是电源电压的波动，它们的影响都会因这两种扰动量的作用点都在反馈环之内而受到抑止。负载扰动处在电流环之外，转速环之内，因而受到了转速调节的抑止；电源电压的波动作用在电流环内，因而受到了电流调节器的抑止。2.2.2转速、电流双闭环调速系统的分析⑴1.直流电机的数学模型在电力拖动控制系统中，直流电动机通常以电枢电压为输入量，以电动机转速为输出量。假设电机补偿良好，不计电枢反应、涡流效应和磁滞的影响，并设励磁电流恒定，得直流电机数学模型为（2-6）（2-6）式中Ud电枢电压；Ld电枢回路电感；Id电枢电流；Rd电枢回路总电阻；Ce由电机结构决定的电势系数,单位为V·S/rad;电动机角速度。根据刚体的转动定律，电动机轴上的运动方程式为（2-7）（2-7）式中J电动机轴上（包括负载折算过来的）转动惯量；电动机角速度；M电动机轴的电磁力矩；Mf电动机轴的负载力矩。当磁通不变时，有（2-8）（2-8）式中Cm¾¾电机的转矩常数，单位为N·m/A。整理的到直流电机的微分方程（2-9）（2-9）式中Td电枢回路的电磁时间常数，Td=Ld/Rd；Tm机电时间常数，GD²电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量；n电动机转速。进而，我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为：（2-10）（2-10）根据上式可以看出直流电动机可以近似认为具有两个惯性环节的系统。直流电动机的动态结构图如图2-7所示。2.转速、电流拴闭环调速系统的分析该系统采取转速、电流双闭环调速系统。其中转速外环与电流内环均拟采取PI控制。对于电流闭环，PI调节器的传递函数可以表示为（2-11）（2-11）式中Ki电流调节器放大倍数；i电流调节器时间常数。对于速度闭环，PI调节器的传递函数可以表示为（2-12）（2-12）式中Kn电流调节器放大倍数；n电流调节时间常数。对于晶闸管整流器，它本身是一个时滞环节，传递函数可以表示为（2-13）（2-13）式中Kz晶闸管整流器放大倍数；z晶闸管整流器时间常数。考虑到一般z比起系统其它部分的时间常数往往小很多，可以将该时滞环节近似为惯性环节来处理，传递函数为（2-14）（2-14）所以双闭环系统的动态结构图如图2-8所示。2.2.3直流电机数字控制调速系统的组成为了克服模拟调速器系统固有的温漂、零漂等的影响，我们采取了全数字化调速系统。控制系统核心部分采用16位单片机80C196KC构成，由于它集成了许多以往被认为是外围器件的电路，所以大大降低了硬件的复杂程度，同时提高了系统的稳定性。本论文所研究的直流电机数字控制调速系统采用了传统的速度、电流双闭环结构，控制功能由软件实现，工作原理与传统的直流调速系统基本相同。原理框图可以参考图2-5。直流电机数字控制调速系统主要由数字触发环节、电流控制环节、速度控制环节组成。与一般直流调速系统的结构基本相同，它是把一般直流调速系统数字化的产品。数字触发环节以同步信号为基准，根据电流环计算出来的触发角，计算待触发晶闸管的触发时刻，在触发时刻发出触发脉冲，经放大、隔离，触发晶闸管。电流控制环节的给定为速度调速器的输出，该环节根据电流给定和反馈，经数字PI控制晶闸管的触发角，从而实现对电枢电流的控制。速度控制环节根据速度给定和反馈二者的偏差，经数字PI控制电枢电流，从而使电机转速与设定相同，即现实系统的速度控制。在第三章里，论文将对系统的结构进行深入研究。3直流电机数字控制调速系统的设计本章∙介绍了全数字控制直流电机调速系统的设计思想与各功能模块的具体实现方案。首先，提出控制系统设计的一般原则与步骤，接着，介绍了系统的总体结构，最后，依次详细说明了各个功能模块的设计思想与实现方案。通过本章的介绍，我们可以了解到一般设计控制系统的方法，尤其是对全数字控制直流电机调速系统的结构会有详细的了解。3.1控制系统设计的原则与步骤控制系统的设计既是一个工程实践问题，又是一个理论问题。尽管对于不同的被控对象，系统设计的侧重点有所不同，但是设计中仍然存在着一些基本原则。本节中结合作者两年的开发经验，总结出了一般控制系统设计的原则于步骤。3.1.1控制系统设计的基本原则⑶结合作者自己及他人的开发经验，我认为以下几点对于控制系统的设计至关重要：1.系统应具有良好的操作性系统操作性是指系统使用和维护特性。由于实际操作人员参数不齐，在设计系统时应尽可能降低对操作人员的某些专业知识的要求。系统设计时必须考虑维护性能，因为系统正式运行后，将长期处于维护状态。系统易于维护性将减少停机造成的经济损失。易维护性从硬件角度来讲，硬件布线要易于检修人员维护；从软件角度将，系统应配置查错和诊断程序，以便发生故障后，能很快查出故障发生部位。2.系统应具有一定的通用性通用性是指被控对象做局部革新后，系统能以较小的代价实现对新对象的控制。控制系统要达到通用性要求，从硬件方面来说，应该尽可能采用标准的总线结构，接口部件采用标准的接口芯片；从软件方面来说，在满足控制性能的前提下，应该尽可能地将接口硬件部分的操作功能用软件来实现，这样被控设备改变时，无须变动或少动硬件，就可以满足要求。3.系统应具有一定的可靠性可靠性是工业控制最突出、最重要的一个要求。这是因为一旦系统出现故障，可能造成整个生产过程混乱，引起严重后果。可靠性通常用集散控制和冗余方式解决，即通过分散系统控制任务和增加系统的冗余度来达到系统的可靠性。4.系统应有较高的性能价格比满足系统工艺要求的前提下,系统性能价格比越高，产品的竞争力就越强。目前科学技术迅猛发展，系统开发时间过长，会使产品失去竞争力和实际应用价值。通常，采用系统集成的方法减少系统开发时间，提高性能价格比。5.设计中要有规范的文档一个优秀的系统设计，必然有完整、规范的文档。控制系统开发包括设计、实现、调试等几个阶段，时间跨度常达几个月，文档是各阶段信息传递的介质。详细完备的文档有利系统开发的一致性，也可以避免人员变动产生的影响。3.1.2控制系统设计的一般步骤⑷控制系统的设计一般按照以下几个步骤进行：1：制定设计任务书。设计任务书是整个控制系统设计的依据。制定设计任务书必须深入了解被控对象的工作过程，根据实际应用提出具体要求，确定系统的任务和功能，以时间和控制流程图来描述制作过程和控制任务。2：系统总体设计。系统总体设计应确定系统具体指标，系统选型，提出各种可行方案和控制算法，以求软、硬件联调后系统功能符合任务书的各项要求。3：软件、硬件功能划分。虽然硬件与软件的功能在逻辑上是等价的，即硬件完成的功能，软件一般也可以实现，反之亦然。但硬件实现和软件实现各有特点。硬件功能芯片与CPU并行处理，实时性能好，但应变能力和灵活性差；软件处理要占用CPU时间，信息处理为串行方式，实时性差，但应变能力和灵活性好。在实际设计中要视具体情况合理划分硬件和软件功能。4：硬件和软件功能划分后，同时进行硬件和软件的具体设计。设计过程中要协调软件和硬件的联系。5：硬件和软件设计完成后，分别进行调试。最后在现场进行联合调试，以确保实现系统的各项功能。控制系统设计的一般步骤如图3-1所示。3.2系统总体结构本系统主要由控制模块、桶步中断模块、触发脉冲输出驱动模块、速度反馈模块、电流反馈模块、显示模块构成。系统功能框图如图3-2所示。各个功能模块基本组成及实现功能如下：1．控制模块⑸系统总体设计中考虑到MSC-96系列16为单片机集成了模/数转换（AD）、高输入口（HIS）、高输出口（HSO）等外围电路，可以大幅度降低硬件结构的复杂程度，从而提高了系统的稳定性。所以核心控制模块主要由80C196KC和外部程序存储器构成。它主要负责数字PI算法的实现，电压、电流AD转换与HSO输出等功能。2．同步中断模块⑹⑺为了克服工频电压不稳定和多通道同步信号本身不对称的影响，该调速系统采用了带数字锁相环的单通道相对触发同步信号。这里，交流同步信号取自电网的一个相电压，再通80C196KC过的软件计算，实现对6个触发脉冲相位的精确定位，从而获得对称度很高的各个出发脉冲。同时还通过锁相环产成倍频信号，将其作为T2的计数基准，各个触发脉冲输出时刻都是相对这个计数基准计算得出的，从而消除了共频不准对相移误差的影响。该模块CD4046主要由数字锁相环12和2位进制计数器CD4040组成。3．触发脉冲输出驱动模块⑻该模块的作用是将HSO的输出脉冲经过功率放大器放大，再经过脉冲变压器隔离，变成可以直接触发晶闸管的门极信号，加到主回路的六个晶闸管的门极上去。该模块主要由光耦TLP521、功放LM386、脉冲变压器组成。4．速度反馈的模块⑻⑼⑽为了满足不同用户的需求，本控制系统提供了两种速度反馈接口：模拟速度反馈和数字速度反馈。模拟速度反馈环节的测速元件为测速发电机，经A/D转换得到转速数字量；数字速度反馈的侧速元件为光电脉冲编码器，通过纪录脉冲数，使用M/T法计算出反馈速度数字量。该模块主要由测速发电机、线性隔离电路、OVW-06-2MHC型光电脉冲编码器、数字锁相环CD4046、12位2进制计数器CD4040组成。5．电流反馈模块⑼该模块主要由交流电流变送器组成。它在主回路交流侧取得交流电流信号，通过交流电流变送器输出0-5V直流信号，采样信号经过A/D转换，送入80C196KC进行处理。为了提高采样精度，该模块采用电流四点式同步采样。6．显示模块⑾该模块使用串行静态显示方案。通过80C196KC的串行口的TXD输出移位脉冲，RXD输出待显示数据。80C196KC通过RXD依次输出四个字节的待显示数据，LED将会静态显示该数据，直到下次RXD输出为止。该模块可以通过选择按键实现显示给定速度或实测速度的切换。各个功能模块的设计思想、实现方法的详细介绍请见以下各节。3.3控制模块该模块主要由Intel生产的MCS-96系列16位单片机80C196KC构成。MCS-96系列单片机根据不同的应用场合，在其内部“嵌入”了以往被认为是“外围设备”的各种电路（时钟发生器、多功能I/O口、A/D转换器、PWM输出口、串行口、定时/计数器、监视定时器、高速输入/输出器、外设事务服务器、事件处理器阵列等）。这些功能的集成，使得整个系统硬件的复杂程度大为降低，另一方面也提高了系统的稳定性。3.3.180C196KC简介⑸80C196KC的主要技术特点如下：16K字节片内EPROM；448字节寄存器阵列；寄存器-寄存器结构；5个8位I/O口；全双工串行口；16位监视定时器；4个16位软件定时器；可动态配置的八位或十六位总线宽度；PWM（脉宽调制）输出；HIS/HSO（高速输入/输出口）；10/8位具有采样/保持的A/D转换器；28个中断源，18个中断向量；可以采用16MHz的晶振；可以看出，80C196KC不但具有丰富的各种硬件资源，而且运算速度也大为提高。同样使用12MHz的晶振，80C196KC的运算速度要比8096提高1/3，使用16MHz的晶振，将比使用12MHz晶振的8096块1/2（因为8096最快只能使用12MHz晶振）。因此，我们了80C196KC构成该控制系统。3.3.280C196KC资源分配⑸在该控制系统中，80C196KC的P3、P4口构成8位系统总线，P0口作为A/D转换输入口和开关量输入口，P1口作为I/O口，P2口作为特殊功能口。具体分配方案如下：P0口：P0.0——A/D转换输入口，接收模拟给定速度的输入；P0.1——A/D转换输入口，接收模拟电流反馈信号；P0.2——A/D转换输入口，接收模拟速度反馈——测速发电机信号；P0.3——开关量输入口，作为显示选择开关；P0.4——开关量输入口，作为转向选择开关，暂时保留；P0.5——开关量输入口，作为启动开关输入口；P0.6——开关量输入口，作为速度反馈设备选择开关；P0.7——外部中断源，暂时保留，接地。P1口：P1.0——准双向I/O口，输出消除干扰时钟脉冲CLK；P1.1~P1.7——准双向I/O口，保留，悬空。P2口：P2.0~P2.1——作串行口线RXD和TXD使用，接LED；P2.2——外部中断源，同步中断信号输入；P2.3——T2CLK，定时器2的外部时钟输入端，保留，悬空；P2.4——T2RST，定时器2的复位端，保留，接地；P2.5PWM输出引脚，保留，悬空；P2.6T2UB-DN，定时器2加减数选择端，保留，悬空；

P2.7T2Capture，定时器2的捕获端，保留，悬空。P3、P4口作系统总线，外接存储器HSI、HSO口HSI.0高速输入口，数字速度反馈环节，速度脉冲信号输入；HSI.1高速输入口，外部计数脉冲204.8KHz输入，做为定时器2的外部时钟源；HSO.0~HSO.5六路触发脉冲输出。3.4同步中断模块在晶闸管整流电路中，为了在一个工频周期中的相同相位上重复触发响应的晶闸管，触发信号与电网电压必须有严格的同步关系。因此，控制系统必须获取电网电压的相位信息。本控制系统中使用同步中断模块实现这一功能。它在交流电压自然过零点检测出过零信号，引发同步中断，从而实现与电网电压的相位同步。同步中断模块的主要任务是为数字脉冲输出提供一个相位基准。根据该基准，通过控制模块计算得出移相触发时间，进而确定触发时间角对应的触发脉冲形成时刻。并通过触发脉冲输出模块将触发脉冲分配输出。可以看出，同步中断模块、控制模块和触发脉冲输出模块是形成触发脉冲的核心组成部分。这一节中，详细介绍了同步中断的移相控制方案的选定和该同步中断模块的硬件实现方法。3.4.1同步中断的移相控制方案⑹⑼同步中断模块是数字触发移相控制的主要组成部分。一般对数字触发移相控制有以下三点要求：(1)分辨率要小；(2)各相触发脉冲的不对称度要小；(3)触发移相控制占CPU的时间要短。在设计该模块时，我们必须考虑以上指标。常用的数字触发移相控制有两种方法：一是相对触发，即单通道相位控制，采用单相同步信号；另一种是绝对触发，即多通道相位控制。这种方法每个晶闸管触发时刻都参考该晶闸管α=0的基准时刻，要求六个同步基准时刻点都要输入单片机，即采用六相同步信号。1.相对触发相对触发仅需要给单片机提供一个同步基准信号，其余五个晶闸管触发的基准时刻依次增加60典角度来实现。因而，硬件电路简单。电网频率波动时，由于在软件程序中存在着与频率相关的硬件移相补偿，所以，不会产生触发脉冲的不对称，但电网相间的不平衡，会引起整流电压不够齐整。2.绝对触发绝对触发需要给微机提供六相同步信号，要增设一个三相同步变压器，电路元件多。每个晶闸管的触发时刻都要按各自的同步基准重新计算。因此，绝对触发不但硬件复杂，而且软件程序冗长。但电网频率的波动及各相间不平衡都不会引起触发脉冲的不对称。所以，绝对触发方式除了硬件结构复杂、占CPU的时间比相对触发长外，触发脉冲的对称度优于相对触发方式。该模块针对相对触发与绝对触发的优缺点，采用了带数字锁相环的单通道相对触发同步信号。利用数字锁相环倍频技术，使锁定的50Hz脉冲实时跟踪工频电源的频率漂移，使作为T2的技数脉冲按360电角度严格分配，每20ms校正一次。从而可以克服相对触发受电网工频漂移的影响，能够跟随电网频率变化的趋势，同时保持了相对触发结构简单，占用CPU效率低的优点。3.4.2同步控制模块的硬件实现该模块借助专用锁相集成芯片CD4046和12位2进制计数器CD4040实现了50Hz工频的锁相倍频。为最大限度地利用80C196KC的快速计数特性，系统将分频比选为。在电路锁定的情况下，该电路锁相倍频频率为，相当于在一个工频周期内有4096个脉冲。由于80C196KC的T2具有沿计数特性，则在360电角度内共有8192个沿，相当于每个沿代表0.044电角度，即分辨率为0.044。所得到的同步中断信号如图3-3所示。将50Hz锁定方波接入80C196KC的EXTINT1端引起同步中断，将204.8kHz的倍频脉冲串送入80C196KC的HSI..1端做为T2的外部计数脉冲。则对晶闸管触发角的控制可借助对204.8kHz锁定脉冲的精确计数完成。同步触发模块电路结构如图3-4所示。3.5触发脉冲输出驱动模块⑴⑿该模块利用80C196KC的高速输出特性，根据同步中断模块产生的同步中断信号，通过对反馈偏差量的PI计算，使用HSO.0~HSO.5产生6路晶闸管触发脉冲。每一路输出信号通过74LS04反相器驱动后接光耦TLP521,光耦输出接功率放大模块LM386，再通过脉冲变压器隔离接6路晶闸管控制极。触发脉冲输出驱动模块电路如图3-5所示。为了可靠触发晶闸管，该模块使用了双脉冲触发信号。即在触发某一晶闸管的同时，给前一导通的晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组两个应导通的晶闸管都能得到触发脉冲。使用双脉冲触发信号，可以减少触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积。其触发脉冲波形如图3-6所示。3.6速度反馈模块速度反馈模块通过速度检测环节获的电机的速度反馈，并以此为依据，进行速度控制。因此，速度检测环节的精度将直接影响直流调速系统的动、静态性能。为了满足不同用户的需求，该模块提供了模拟速度反馈和数字速度反馈两种接口。3.6.1模拟速度反馈模拟速度反馈采用与电机同轴安装的直流测速发电机作为检测元件，经A/D转换得到数字量而实现的。在这一过程中，由于测速发电机的在整个速度范围内线性度不高，而且存在着高频齿谐波，速度信号又以模拟量传输，易受干扰。所以，模拟速度检测的精度较低。图3-7是根据测速发电机的实测值，经过最小二乘法拟合的输出特性曲线。3.6.2数字速度反馈⑻⑽⒀数字速度反馈的测速元件为电机同轴安装的光电脉冲编码器，通过记入脉冲数，使用M法、T法、M/T法计算可得反馈速度数字量。在数字速度反馈过程中，速度信号是数字量，再传输中不易受到干扰，显然，数字测速有较高的精度。这里采用的是日本NEMICON公司的OVW-06-2MHC型光电脉冲编码器，每转发出600个脉冲。光电脉冲编码器的信号被传入80C196KC的HIS.0口，检测方法采用M/L法其原理如图3-8所示。在图3-8中，T为实际检测时间，T0是一个固定不变的定时时间，当转速脉冲的上升沿来时，启动定时T0，由两个计数器分别对转速脉冲m1和高频脉冲数m2计数。当定时T0结束时，m1停止结束，m2继续计数。当转速脉冲的下一个上升沿到来时，m2停止计数，则可得到电机的转速为式中fc高频计数脉冲信号的频率，本系统中为80C196KC内定时器T1的时钟信号，由于采用12MHz晶振，fc=750kHz；P光电脉冲编码器每传输出的脉冲数，P=600。将fc和P的参数代入上式，得转速脉冲信号被送到80C196KC的HSI.0引起上升沿中断，此时开始定时T0，同时记下计数器T1的值，开始对HSI.0接收到的转速脉冲计数，并关闭HSI.0中断。当定时T0到时，开启HSI.0中断，停止m1计数，等待HSI.0的上升沿。当上升沿到来时，读取计数器T1的值，计算两次计数器T1的差值得到高频脉冲数m2，这样就完成了一次转速测量周期。由此根据式（3-2）即可计算出当前计算机的转速。其它常用的数字测速方法还有M法、T法。其中M法高速检测性能好，低速时误差大；而T法则相反，低速检测分辨率高，高速检测时随着转速提高分辨率有所降低。M/T法却兼顾了以上两种方法的优点，在高速与低速检测中均有良好表现。通过以上对两种速度反馈环节的分析，可以明显地看出数字速度反馈环节的精度要高于模拟速度反馈环节。应该广泛应用于高性能的直流调速场合。但由于光电脉冲编码器的价格比较高，这样无疑会提高整个转动系统的成本。所以在调速性能要求不是特别高的场合可以使用由直流测速发电机构成的模拟反馈方案。应当知道，成本降低是以牺牲了部分控制精度为代价的。3.7电流反馈模块在全数字直流调速系统中，通过电流反馈模块要求获得电枢电流的数字量。电流反馈一般采用硬件电路获得电枢电流的模拟信号，然后，经过采样、A/D转换，才能得到它的数字量。因此，该模块应该包括电枢电流检测和电流采样两部分。3.7.1电枢电流检测由于主电路的电枢电流的大小与交流侧的相电流存在着一定的比例关系。因此，检测交流侧也就可以得到主回路电流的大小。该模块我们采用交流电流变送器构成电枢电流检测部分，在主回路交流侧取得交流信号，直接输出为0-5V直流信号，经过A/D转换，得到电枢电流数字量，送入80C196KC进行处理。3.7.2电流采样对交流电流变送器输出的电流模拟信号进行A/D转换，方可得到数字量。选择正确的A/D转换时间间隔，进行A/D转换，并将几次结果处理，得到本拍电流数字量的过程就是电流采样。按照一个周期内采样点的选取，常用的电流采样方法分为一点式、两点式、三点式和四点式同步采样。这里，我们选用了电流四点式同步采样。电流四点式同步采样方式是：在电流连续的情况下，电流模拟信号的每一个包洛周期为T/6,四等分为T/24。选择触发时刻（包洛起始点）为参考点，以此为中心，在前后进行两次电流A/D转换，间距取包洛四等分值T/24，横跨两个包洛，如图3-9所示。四次A/D转换的结果求平均值为本次电流的采样值。由于触发时刻的计算以同步信号为基准，所以，电网频率波动，电流A/D时刻随之变动，采样精度有所保证。就电流采样的精度来看，该模块采用的四点式同步采样方法优于其它采样方法，三点式同步采样次之。3.8显示模块⑾通常LED显示模块采用静态或者动态显示方案。其中静态显示方案需要外加锁存器，所以它要求使用元件较多，线路复杂，成本高。而动态显示方案利用人的视觉暂留效应，尽管单片机对LED动态扫描，每一次仅有一位显示，但人眼仍感到所有LED都在显示。所以它需要硬件较少，价格低，但占用CPU处理时间。该模块使用串行静态显示方案。它只需要两根串口线和单片机联系，就可以完成基本的显示要求。经试验验证，该显示方案可行。该模块主要由4块LED和4块8位并行输出串行移位寄存器74LS164组成。通过80C196KC的串行口的TxD输出移位脉冲，RxD输出显示数据。80C196KC通过RxD依次输出四个字节的数据，采用移位方式，LED将会静态显示该数据。可以通过选择按键实时显示给定速度或实测速度。显示模块电路如图3-10所示。3.9小结本章里详细地介绍了该直流电机数字控制调速系统的组成，以及各个功能模块的具体实现方案。其中每个目标都有多种实现方法，本章还就不同实现方案的性能进行了比较。通过本章可以看出：1．带数字锁相环的单通道相对触发同步信号；2．电流四点式同步采样几个关键功能模块的实现方案的选择，对整个调速系统动、静态性能的提高起到至关作用。下一章里，将研究控制系统的软件实现方案。4直流电机数字控制调速系统的PI控制本章介绍了直流电机数字控制调速系统的软件实现方案。其中重点研究了该控制系统所采用的数字PI控制原理和PI控制器的参数整定方法。4.1控制软件流程本节将按整个系统控制软件的结构介绍直流电机数字控制调速系统的软件实现方案。将主要介绍主程序流程、同步中断服务程序流程与HSO中断服务程序流程。4.1.1主程序流程主程序的主要任务是初始化各变量和标志位的值，设置80C196KC各控制字，初始化各端口的状态，初始化并开启相应中断，启动软件定时器0（用于LED显示）、启动给定速度A/D转换，实现数字PID算法等。其控制流程图如图4-1所示。4.1.2同步中断服务程序流程为了可靠触发三相全桥6只晶闸管，该控制系统使用了双脉冲触发信号，一个周期共需输出24个HSO信号，包括HSO上升沿和下降沿（参看图3-6）。因为HSOCAM只能存储8个HSO事件，考虑到软件定时器对HSOCAM的占用情况，我们把24个触发时刻分成4组，每组6个触发时刻，分别由同步中断与HSO中断产生。同步中断由同步中断模块在交流同步信号过零时刻引起（EXTINT1）。同步中断服务程序的主要任务是复位计数基准T2，产生A、B、C、D、E、F输出结束标志，在F时刻产生HSO中断。其控制流程图如图4-2所示。4.1.3HSO中断服务程序流程HSO中断分别由F、L、R时刻的HSO输出命令引起。HSO中断服务程序的主要任务就是根据状态标志位产生不同组的HSO输出信号，并置相应状态标志位。其控制流程图如图4-3所示。4.2数字PI控制4.2.1PI控制原理⒁在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PI控制或PID控制（通常根据被控对像的不同，选择相应的控制方案以达到最好的控制效果）。常规PI控制系统原理框图如图4-4所示。系统由模拟PI控制器和被控对象组成。PI控制器是一种先行控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PI控制器。其控制规律为或写成传递函数形式式中Kp比例系数；T1积分时间常数。PI控制器的性能主要由Kp、T1两个系数决定。4.2.2数字PI控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据时刻的偏差值计算控制量，因此必须进行离散化处理。按模拟PI控制算法的算式(4-2)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，可得数字PI控制的位置式算：式中k采样序号，k=0,1,2······，u(k)第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第（k-1）次采样时刻输入的偏差值；K₁——积分系数，T采样周期当采样周期T足够小时，数字PI算式（4-4）可以很好地逼近模拟PI算式（4-2）。在数字控制系统中，PI控制是用计算机程序来实现的，因此它的灵话性很大。可以通过对控制对控制算法的改进，以满足不同控制系统的需要。在普通的PI数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在直流电机调速过程的启动、停止或突加负载等清况下，短时期内系统会输出很大的偏差，会造成PI运算的积分累加，产生积分饱和现象。它会引起系统较大超调，甚至引起系统的振荡，严重影响了调速系统的稳定性。为了克服积分饱和的影响，我们采取了积分分离的PI控制算法。它的设计思想是：在数字PI算法中，将积分分离出去，只有当误差小到进入某项误差后才计算积分分离PI控制法，既保持了积分作用，又减小了超调量，很明显的抑止了积分饱和。其控制效果如图4-5所示。积分分离PI控制算法的具体实现如下：整理，得积分分离PI控制的增量算式根据式（4-6）得积分分离PI控制算法流程图如图4-6所示4.3数字PI控制器的参数整定⑾⒂数字PI控制器参数整定的任务是确定数字PI的参数Kp,T1和T0对于简单地系统，可以采用理论计算的方法确定这些参数。对于复杂一些的系统通常采用临界比例度法和扩充阶跃曲线法（也称扩充响应曲线法）确定参数。如果经验丰富也可用试凑法。模拟PI控制器，经过多年的应用和发展，在理论与经验相结合的基础上已经形成一些有效的PI参数整定方法，比如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。按照模拟一离散方法设计的数字PI控制器要求采样周期T足够小，比对象的时间常数小得多。这样的数字控制器与模拟PI调节器的性能很相近，因此可以模仿模拟PI调节器的参数整定方法对数字PI控制器的参数进行整定。数字PI控制器的常用参数整定方法就是在模拟PI调节器参数整定方法的基础上扩展来的。4.3.1采样周期T的选择从数字PI控制器对连续PI调节器的模拟精度考虑，采样周期越小越好。但采样周期小，控制器占用CPU的时间就长，增加了控制系统对CPU的占用率。因此，采样周期的选择应综合考虑各方面因素，采取折衷的办法。这些因素只要有:1.保证单片机在一个采样周期内完成所需操作在一个采样周期内，单片机要采集A/D转换数据，数字滤波，进行PI运算，输出控制量，显示，启动A/D转换，处理其它中断等。所以必须提高采样频率，以保证采样的精确性。2.保证有用信号不失真根据香农采样定理，采样频率应不低于有用信号频率的两倍，实际上，工程上采样频率通常取有用信号频率的4～10倍。采样频率的选取还与所用设计方法有关。采用直接数字设计方法，可以选用较大的采样周期。但是采用模拟—离散设计方法，要求采样周期小。3.应保证控制器对扰动做出及时的反映比如在电机负载端受到扰动，控制器应该能及时产生一个控制信号来消除干扰，以保证电机转速稳定。若扰动频率较高，而采样周期长，那么控制器就不能及时检测到扰动信号，从而发出控制信号，这样电机的转速就会波动。因而如果扰动频率高，就应选用较小的采样周期，反之，可以选用较大一点的采样周期。4.要考虑对象的动态特性主要应考虑被控对象的时间常数τ和纯滞后时间θ。当纯滞后时间占主导地位时，应尽量使纯滞后时间是采样周期的整数倍，比如θ=T，θ=2T等。当θ比τ小得多时，可采取T=τ/10。5．应考虑采样周期对系统动态特性的影响（1）充分考虑系统的动态品质。对随动系统来说，选择采样周期时应充分考虑系统动态特性。反馈理论表明，系统闭环频率特性的谐振频率ω0接近系统闭环截止频率ωc，ωc又接近系统开环截止频率。控制系统一般都有低通滤波特性，当系统输入信号频率高于ωc时，信号会衰减很快。因此没有保证高于ωc的信号不失真的必要。所以可以取采样频率ωs为ωs≈10ωc（4-7）被测参数采样周期T(s)备注流量1～5优选1～2压力3～10优选6～8液位6～8温度15～20或纯滞后间成分15～20手动输入1（2）应考虑到被调量的变化速度。为了能够及时控制，被调量变化快应采用较小的采样周期。对于各种被调量变化量到底采样周期取多少，很难用理论方法计算，一般按表4-1的数据选用，然后在运行时通过实验修正。该直流电机数字控制调速系统按照以上各个原则综合考虑，选择采样周期为T=100ms，实验结果证明可行。4.3.2数字PI控制器的参数整定⑴⒃在2.2.2中，我们已经分析了转速、电流双闭环调速系统以及数度PI调节器和电流PI调节器，得到了他们的数学模型。所以我们决定采取理论计算方法来确定数字PI控制器的参数。该系统选用的控制对象的基本参数为:直流电动机额定功率为PN=4.2kW，额定电压为UN=110V，额定电流为IN=46A，额定转速为nN=1500rpm，电枢内阻为Rd=0.32Ω,电磁时间常数为Td=0.0469s,电势常数为电机时间常数Tm=1.1s，三相桥式晶闸管整流器的滞后时间为τz=0.0017s，放大倍数为Kz=20,速度反馈系数α=0.0104V·min/r,电流反馈系数β=0.125V/A。技术要求为：稳态指标为在阶跃输入下午静差，动态指标为：电流超调σi≤5%，最大动态速降在负载变化为20%额定值时，1.电流调节器参数的选择由于电流的响应过程比转速响应过程快得多，所以可以不考虑反电势的影响，反电势相当于断开。取τi=Td=0.0469s，使用PI调节器将电流环校正为典型I型系统。为了满足电流超调量σi≤5%，取电流环开环放大倍数为电流调节器的放大倍数为2.转速调节器的参数选择取τn=5Tn=0.101s，即中频宽h=5，使PI调节器将转速环校正为典型Ⅱ型系统，以提高系统的跟随性和抗干扰性。此时转速环开环放大倍数为转速调节器的放大倍数为实验结果证明，以上PI调节器参数的选择可行。5实验运行结果及分析我们对该直流电机数字控制调速系统进行了开环运行实验和闭环运行实验。本章主要介绍实验运行结果和性能分析。5.1系统开环运行实验⒃系统开环实验使用直流发电机作负载。在保证电枢电流Ud=110V的情况下得到系统开环静特性曲线，如图5-1所示。可以得到空载转速n0=1594rpm，额定转速ned=1500rpm。所以空载时的静差率为可以看出由于系统开环运行，静特性较软，静差率较大。在保证负载不变的情况下，我们得到了一条系统开环调速特性曲线，如图5-2所示。可以看出系统开环运行调速特性基本保持线性，这是与理论分析相吻合的。5.2系统闭环运行实验⒃⒄由于实验设备的原因，本系统闭环运行实验选用模拟速度反馈，模拟电流反馈构成双闭环系统完成系统闭环运行实验。保持速度给定不变，调节系统负载，可以得到调速系统的静特性曲线。图5-3是，给定转度分别为1400rpm,1000rpm,500rpm时的特性。可以看出由于引进了闭环的作用，调速系统的硬度相当好，但是由于模拟速度给定、模拟速度反馈的原因，仍然有少许静态误差。相信改用数字给定和速度反馈环节的话，可以缩小静态无差，接近无差调速。实验运行中，通过对仪表的观测，测得调速系统最大超调量为4.2%＜5%，基本满足了调速系统的设计要求。6直流电机数字控制调速系统技术前景本章参考国内外直流电机数字控制调速系统的研究现状，展望了对于直流电机数字控制调速系统可行的技术应用。有望在后续工作里将该系统进一步完善。6.1锁相环速度控制技术的应用⒅⒆⒇锁相环技术（PLL-PhaseLockedLoop），出现于本世纪30年代，最早的应用是40年代电视接收机的行扫描电路和供色度信号调解的副载波振荡电路，直到70年代初期，随着低成本高性能集成锁相环电路的出现，锁相技术才在工业领域，特别是在无线电，如无线寻呼、无绳电话、移动卫星通信、彩色电视机等方面得到广泛应用，成为整个通信和电子领域的一项重要技术。为了进一步提高调速系统的精度，或进行多台电机同步转动，我们可以采用锁相环速度控制技术。如图6-1所示，锁相环的主要环节是频率相位比较器（FPD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。VCO的输出频率f0经N分频后，得到反馈频率fb=f0/N，它与参考频率fg进行频率比较和相位比较，FPD输出反映出其频率和相位差的信号。此信号经LPF后得到与之成反比关系的偏差电压v0，再经放大和校正后，作用于VCO，控制输出频率f0。锁相环是一个闭环反馈控制系统，在闭环负反馈作用下，系统使fg和fb的频率差和相位差向着减少的方向变化，最后系统“锁住”，两个信号频率达到了同频和接近于同相。锁相环速度控制系统中VCO由直流电动机与光电脉冲编码器构成。采用该系统的目的是使反馈频率信号与给定基准频率信号同步。系统根据两者频率或者相位差来校正电动机转速。锁相环速度控制系统可以获得高稳定的根本原因在于PLL是将相位作为控制信号，传递相位信息的光电脉冲编码器只存在瞬时的信号抖动，每周的平均误差为零，能够准确地传递相位信息。由于相位是转速的积分，对于转速阶跃，即使稳态相位存在误差，对于速度而言是无差的。当速度反馈信号和速度给定信号锁定时，电机的平均速度误差将为零，只存在很小的瞬时高频抖动，意味着很高的稳态精度。而常规控制方法，如PID控制，理论上由于存在积分环节，也应是无差系统，但它是将速度作为控制信号现有的测速方法如测速发电机或数字测速法，均存在系统误差，从而限制了控制的精度。频相比较器（FPD）是锁相环中的关键环节。对它的基本要求是：1.具有鉴频和鉴相双重作用，而从鉴频到鉴相的过渡是连续的。2.宽的频率捕捉范围和锁相范围。频率锁定范围是指在此频率范围内，PLL可以进入“锁定”。而频率捕捉范围是指在此范围内，如果一旦失锁，系统还能再一次“锁住”。这是十分重要的。电动机启动后能否快速进入锁相状态，一旦失锁能否尽快回复，这些性能与频相比较器的选择有关，当然还与系统参数设置有关。这里我们给出一种双环锁相环速度控制系统，如图6-2所示。其中外环是锁相环，可以看作位置伺服环，内环是速度环，速度信息直接由光电脉冲编码器信号经频率/电压（F/V）变换得到。附加了速度内环，使系统在有限的伺服增益下能减小系统静差，进一步提高系统稳定性和快速锁定能力。6.2自适应PID控制技术的应用⒁在PID控制中，一个关键问题便是PID参数的整定。传统的方法是在获得对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数。然而在实际的工业过程控制中，被控过程往往具有非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。这就要求PID参数能够在线调整以满足实时控制的要求。自适应PID控制将是解决这一问题的有效途径。自适应PID控制兼有自适应控制与PID控制两种优点。首先，它是自适应控制，就是说它有自动辨识被控制过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数变化等一系列优点；其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高、为现场工作人员和设计人员所熟悉的优点。这里我们给出一种采用单神经元自适应PID控制器的直流双闭环调速系统。用单神经实现自适应PID控制的结构框图如图6-3所