计算机控制技术6-4.ppt

一 总体控制方案设计1确定系统的控制任务 设计一个直流传动系统 首先应熟悉其应用的工艺要求 根据生产机械对传动系统所提出的功率 静态和动态性能指标等进行综合考虑 提出几种方案进行比较 最后择优选定一个合理的系统方案为某生产机械设计一个调速范围宽 起制动性能好 定位准确且定位过程无超调的直流伺服系统 且拟定该伺服系统由大功率晶体管脉宽调制放大器给电动机供电 控制方式为三环全数字式 电流环控制器运算 速度环控制器运算 位置环控制器运算 一 总体控制方案设计1确定系统的控制任务 电流的传感器 采用霍尔元件霍尔元件的电流容量为50A 转换比例为1000 1 最后把电枢电流变成0 5V的直流电压信号 一 总体控制方案设计1确定系统的控制任务 速度和位置传感器 采用光电脉冲发生器若选用每转刻度为2500的光电脉冲发生器 其输出的A B两相脉冲经四倍频后 可获得每转10000个脉冲的角位移分辨率 若以6ms为时间间距对四倍频后的脉冲信号计数 则计数值正好对应电动机转速的每分钟转数 直接PWM控制系统 计数器生成PWM信号在模拟PWM控制系统中 电流调节器输出的模拟电压控制信号通过和三角波比较 转换为相应占空比的PWM控制信号 控制晶体管PWM功率放大器的输出电压 一 总体控制方案设计1确定系统的控制任务 直接PWM控制系统 计数器生成PWM信号电流调节器输出的是数字式控制信号 将这个数字式控制信号通过计数器 直接生成PWM控制信号 晶体管PWM功率放大器的工作频率为2kHz 直接生成PWM信号的计数器的时钟频率为4MHz 分辨率为1 2000计数值为2000时 对应的PWM信号占空比为1 输出电压为200V 计数值为1000时 对应PWM信号的占空比为0 5 输出电压为0V 计数值为0时 对应PWM信号占空比为0 输出电压为 200V 一 总体控制方案设计1确定系统的控制任务 系统组成的粗框图 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 电流反馈通道由霍尔元件 两级运算放大器和A D转换器组成选用10位单极性A D转换器将电流模拟反馈信号转换为数字量 然后输入微型计算机 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 转速反馈通道由光电脉冲发生器 光电隔离器PC900 可编程门阵列GALl6V8和计数器 定时器等组成光电脉冲发生器和电动机转子同轴 它输出的A B两相脉冲信号GALl6V8的任务是对A 召两相脉冲进行分频和鉴相 产生A 月两相脉冲的4倍频 2倍频 4分频 2分频信号 4A 2A A 4 A 2 和电动机的转向信号 这些信号将输入计数器 定时器 微处理机进行转速测量 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 位置反馈通道光电脉冲发生器 光电隔离器PC900 可编程门阵列ALl6V8 它们和速度反馈通道共用 以及两个计数器一般情况下 位置反馈数字量用可逆计数方式获得 计数器T2对所有的4倍频脉冲信号计数 计数器T1受控于电动机的转向信号面 电动机正转时 封锁计数器T1 电动机反转时 计数器T1计数电动机在一个位置环采样周期内位置偏移量为 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 位置反馈通道系统的绝对位置反馈量 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 控制输出通道控制输出通道由8254计数器的两个计数通道 0计数器和 1计数器构成 0计数器作定时器用 它产生2kHz的脉冲信号 这个脉冲信号触发控制 l计数器 一 总体控制方案设计2输入输出通道及其接口设计 伺服系统给定输入通道伺服系统给定输入方式比较简单的有拨码开关 模拟旋钮 和脉冲发生器等 由上位微型计算机通过串行或并行通信方式给定输入例如 将采用串行通信作为伺服系统的给定输入通道 给定输入通道由上位微型计算机 电平转换电路MCl488 MCl489和串行通信接口电路组成 二 微型计算机选择 对给定的任务 选择何种机型合适 方案不是唯一的 本系统中电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度 其采样频率比较高 为了保证足够的控制精度和运算速度 对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求 应选十六位微处理机或单片机 比如intel8086和intelMCS 96系列单片机 采用intel8086微处理器 构成全数字式三环直流伺服系统的控制方案 其原理框图如图所示该系统主要由8086CPU 并行I O接口8255A 两片可编程定时器 计数器8254 可编程中断控制器8259 A D转换器 以及时钟电路 光电隔离器件 可编程门阵列GALl6V8倍频辨向电路等组成 二 微型计算机选择 二 微型计算机选择 8086CPU及其RAM ROM小系统 再加上一些接口电路和器件 能够完成三环全数字式伺服系统的控制任务 其不足之处是硬件电路比较复杂 系统硬件电路增多 不仅系统的成本上升 而且可靠性下降 选用8097单片机16位高性能单片机适用于电力拖动系统全数字式控制的器件 它们不仅有很强的数据处理能力 运算速度和运算精度 还有丰富的外部信号处理资源 使系统的硬件结构非常简单 可靠性也容易得到保证 绝大部分控制任务由8097来完成 二 微型计算机选择 二 微型计算机选择 变T法速度检测利用高速脉冲输入单元 HIS 进行速度检测HIS是MCS 96系列单片机中很有特点的内部硬件资源 其工作只与内部时钟和定时器有关 由定时器来同步 不需要CPU的干预 HSI用来记录所发生事件的有关信息 HSI单元的结构如图6 19所示 二 微型计算机选择 二 微型计算机选择 变T法速度检测如果将A B两相脉冲的不同分频信号分别连接到HSI的四个输入通道 当转速变化时 HSI选取不同的分频信号进行T法转速测量 就可以克服了法测量转速的局限性 数字式速度测量的死区随速度n减小 速度检测周期相应增大 如果它超过一定的范围 远大于速度环的采样周期 速度调节器长时间得不到新的速度反馈值 速度环相当于工作在开环状态 这就是数字式速度测量的死区 二 微型计算机选择 硬件与软件的功能分配用到的8097片内硬件资源有 10位单极性A D转换器 将电流反馈通道中模拟反馈信号转换为数字量高速输入单元HIS HSI作为速度反馈通道的数字式测速单元 高速输出单元HSO HSO将通过软件定时器以事件设置方式 确定电流环 速度环 位置环的采样周期并发出相应的中断信号 启动A D转换器 SIO 作为伺服系统给定串行输入通道的接口电路 二 微型计算机选择 用到的8097片内硬件资源有 计数器 计数器T2和8254的 2计数通道一起构成位置反馈通道的位置检测单元 T2对上升沿和下降沿计数 将2A信号引入其时钟输入端 8254的 2计数通道工作于受控方式 门极控制信号为转向信号 8254的 0和 1计数通道作为PWM信号发生器 在控制输出通道中将数字量的控制信号转换为PWM控制信号 二 微型计算机选择 统软件的主要任务有 系统初始化对电流反馈 速度反馈 位置反馈采样对电流反馈 速度反馈 位置反馈的原始数据进行数据处理 获得相应的数字式反馈标定量 电流 速度 位置的控制规律运算 并对输出分别作限幅处理读串行口的数据 且按先进先出 FIFO 方式存储 接收上位微型计算机发送来的指令 执行指令 通过串行通信将信息反馈到上位微型计算机 系统的软件结构以及分时控制的时序安排 三 控制算法设计电流环控制器设计 数字控制器可以用直接数字的设计方法 也可以用模拟调节规律数字化的设计方法 用后一种方法来设计电流环 速度环和位置环的数字控制器将电流环按典型I型系统校正 电流调节器应为PI调节器 传递函数为 三 控制算法设计电流环控制器设计 电流环的简化动态结构图参数选择 三 控制算法设计速度环控制器设计 当速度环截止频率 将转速环校正成典型 型系统 转速调节器是PI调节器 设其传递函数为 三 控制算法设计速度环控制器设计 速度环的传递函数为 三 控制算法设计速度环控制器设计 速度环的传递函数为 三 控制算法设计位置环控制器设计 若要求伺服系统能够准确 无超调定位 则位置环只能按照典型I型系统来校正位置调节器为比例调节器 三 控制算法设计位置环控制器设计 三 控制算法设计采样周期选择 根据采样周期的经验公式来选择电流环 速度环和的采样周期电流环速度环位置环 三 控制算法设计采样周期选择 以上对各个控制闭环的采样周期进行的选择 只是确定了它们能保证一定控制性能指标的大致范围 我们取的采样周期为 三 控制算法设计控制算式和运算流程图 电流环 三 控制算法设计控制算式和运算流程图 速度环位置环 三 控制算法设计控制算式和运算流程图 速度环与电流环 三 控制算法设计控制算式和运算流程图 用汇编语言编制控制算法程序时 需要特别注意如下几个问题 小数运算一般采用定点运算来提高运算速度 因此需要注意运算结果中小数点的位置符号运算溢出积分丢失 三 控制算法设计硬件设计 画出详细的系统电气原理图 为系统硬件电路的施工 制作和安装作好准备 三 控制算法设计软件设计 软件设计阶段的任务就是要逐一编制和调试程序模块 首先画出各个功能程序模块的流程图 然后根据流程图编程 三 控制算法设计软件设计 软件设计阶段的任务就是要逐一编制和调试程序模块 首先画出各个功能程序模块的流程图 然后根据流程图编程 三 控制算法设