数字控制的调速自动控制系统.ppt

第6章 数字控制的调速 自动控制系统,华中科技大学武昌分校运动控制系统,前讨论的直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。,以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。,数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为两种： 1. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统,1. 数模混合控制系统,2. 数字电路控制系统,除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。,本章重要知识点,数字控制的主要特点 数字式速度检测及量化 数字PI调节器 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,微机数字控制系统除稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。 微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,一、 数字控制的主要特点,离散化： 为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。采样周期根据香农采样定理决定。,O,n,f(nT),数字化： 采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。,数字化,数字量化的原则是：在保证不溢出的情况下，精度越高越好。可用存储系数K来显示量化的精度，为： K=计算机内部存储值/物理量的实际值,Eg：某直流电机的额定电流为IN=136A，允许过载倍数为=1.5，额定转速为nN=1500r/min，计算机内部定点数占一个字的位置（16位），确定电枢电流和转速存储系数。,K=（215-1）/1.8IN K=(215-1)/1.3nN,离散化和数字化的负面效应,（1）A/D转换的量化误差。 （2） D/A转换的滞后效应： 经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。 保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。,随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。,二、数字式速度检测及量化,1数字式速度检测工具光电式旋转编码器（码盘）,光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。 旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。 绝对式编码器常用于检测转角。 增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。,增量式旋转编码器示意图,增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。 正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。 采用简单的鉴相电路可以分辨出转向。,（1）分辩率： 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为 Q = n1 - n2 （转/分） Q 越小，测速装置的分辩能力越强； Q 越小，系统控制精度越高。,2数字测速方法的精度指标,（2）测速精度,测速精度是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即：,测量误差 越小，测速精度越高。 的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。,（3）检测时间 Tc 检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。 检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。,（1） M法测速,工作原理： 由计数器记录PLG发出的脉冲信号； 定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt； CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数； 根据计数值 M 计算出对应的转速值 n。,测速原理与波形图,3. 测速方法,转速计算公式,式中：Z为PLG每转输出的脉冲个数；,M法测速的分辨率,M法测速误差率,M法测速只适用于高速段。,(2) T法测速,工作原理： 计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0； PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求； CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。,电路与波形,转速计算公式,T法测速的分辨率,结论：n越小，Q越小。,法测速误差率,故T法测速适用于低速段。,M法测速在高速段误差小； T法测速在低速段分辨率强，误差小。 因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。,两种测速方法的比较,(3) M/T法测速,采样时钟Tc 由系统的定时器产生，其数值始终不变。 检测周期由采样脉冲Tc的边沿之后的第一个脉冲编码器的输出脉冲的边沿来决定，即T= Tc T1+ T2 。,转速计算公式,在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc： M2f0Tf0Tc，代入上式可得： 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。 M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。 M/T法在高低速时都具有较高的测量精度。,（1）PI调节器的传递函数,PI调节器时域表达式,其中 Kp= Kpi 为比例系数 KI =1/ 为积分系数,三、数字PI调节器,（2）PI调节器的差分方程,将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为,式中 Tsam为采样周期 。,位置式算法,算法特点是：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。,增量式PI调节器算法,PI调节器的输出可由下式求得,增量式算法,（3）限幅值设置,与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要对 u 限幅，这里，只须在程序内设置限幅值u m，当 u(k) u m 时，便以限幅值 u m作为输出。 增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。,（4）算法流程,四、微机数字控制双闭环直流调速 系统的硬件和软件,微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图所示，系统由以下部分组成 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,1 主回路两种方式： 直流PWM功率变换器 晶闸管可控整流器,2 检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中： 电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机； 转速检测用码盘测速。,电流和电压检测,电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。,电流检测方法,电流互感器,霍尔效应电流变换器 UH = KH B Ic KH为霍尔常数； B为与被测电流 成正比的磁通密度； Ic为控制电流。,3 故障综合利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。,4 数字控制器数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。,5 系统给定系统给定有两种方式： （1）模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算； （2）数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送见下图。,a) 模拟给定,b) 数字给定,6 输出变量微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经 D/A 转换得到的模拟量去控制功率变换器。 随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。,微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等。,主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。 初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。,主程序框图,初始化子程序框图,3中断服务子程序,中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。 转速调节中断服务子程序 电流调节中断服务子程序 故障保护中断