数字控制的调速自动控制系统ppt课件

1、华中科技大学武昌分校华中科技大学武昌分校运动控制系统运动控制系统 前讨论的直流调速系统的根本规律和设计方前讨论的直流调速系统的根本规律和设计方法，一切的调理器均用运算放大器实现，属模拟法，一切的调理器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。控制系统。 模拟系统具有物理概念明晰、控制信号流向模拟系统具有物理概念明晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但其控制规律表达在硬直观等优点，便于学习，但其控制规律表达在硬件电路和所用的器件上，因此线路复杂、通用性件电路和所用的器件上，因此线路复杂、通用性差，控制效果遭到器件的性能、温度等要素的影差，控制效果遭到器件的性能、温度等要素的影响。响。 以微处置器为中

2、心的数字控制系统简称以微处置器为中心的数字控制系统简称微机数字控制系统硬件电路的规范化程度微机数字控制系统硬件电路的规范化程度高，制造本钱低，且不受器件温度漂移的影高，制造本钱低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件可以进展逻辑判别和复杂运响；其控制软件可以进展逻辑判别和复杂运算，可以实现不同于普通线性调理的最优化、算，可以实现不同于普通线性调理的最优化、自顺应、非线性、智能化等控制规律，而且自顺应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵敏方便。更改起来灵敏方便。 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为两种：两种： 1. 数模混合控制系统数模混合控制

3、系统 2. 数字电路控制系统数字电路控制系统 n除主电路和功放电路外，转速、电流调理器，以及脉除主电路和功放电路外，转速、电流调理器，以及脉冲触发安装等全部由数字电路组成。冲触发安装等全部由数字电路组成。 数字控制的主要特点数字控制的主要特点 数字式速度检测及量化数字式速度检测及量化 数字数字PI调理器调理器 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双闭环直流调速系统的硬件和软件l微机数字控制系统除稳定性好，可靠性高，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、数可以提高控制性能外，还拥有信息存储、数据通讯和缺点诊断等模拟控制系统无法实现据通讯和缺点

4、诊断等模拟控制系统无法实现的功能。的功能。l微机数字控制系统的主要特点是离散化和数微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。字化。 离散化：离散化： 为了把模拟的延续为了把模拟的延续信号输入计算机，必信号输入计算机，必需首先在具有一定周需首先在具有一定周期的采样时辰对它们期的采样时辰对它们进展实时采样，构成进展实时采样，构成一连串的脉冲信号，一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。采样这就是离散化。采样周期根据香农采样定周期根据香农采样定理决议。理决议。Otf(t)原信号原信号Onf(nT)1 2 3 4采样采样 数字化：数字化： 采样后得到的离散采样后得到的离散

5、信号本质上还是模拟信号本质上还是模拟信号，还须经过数字信号，还须经过数字量化，即用一组数码量化，即用一组数码如二进制码来逼如二进制码来逼近离散模拟信号的幅近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字值，将它转换成数字信号，这就是数字化。信号，这就是数字化。数字化数字化OnN(nT)数字量化的原那么是：在保证不溢出的情况下，数字量化的原那么是：在保证不溢出的情况下，精度越高越好。可用存储系数精度越高越好。可用存储系数K来显示量化的来显示量化的精度，为：精度，为：K=计算机内部存储值计算机内部存储值/物理量的实践值物理量的实践值Eg：某直流电机的额定电流为：某直流电机的额定电流为IN=A，允许过载，允许过

6、载倍数为倍数为=1.5，额定转速为，额定转速为nN=1500r/min，计算，计算机内部定点数占一个字的位置机内部定点数占一个字的位置16位，确定电位，确定电枢电流和转速存储系数。枢电流和转速存储系数。K=215-1/1.8INK=(215-1)/1.3nN1A/D转换的量化误差。转换的量化误差。2 D/A转换的滞后效应：转换的滞后效应：经过计算机运算和处置后输出的数字信号必需由数模转换器经过计算机运算和处置后输出的数字信号必需由数模转换器D/A和坚持器将它转换为延续的模拟量，再经放大后驱动被控对和坚持器将它转换为延续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。象。坚持器会提高控制系统传送函数分母的阶次

7、，使系统的稳定裕坚持器会提高控制系统传送函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。量减小，甚至会破坏系统的稳定性。随着微电子技术的提高，微处置器的运算速度不随着微电子技术的提高，微处置器的运算速度不断提高，其位数也不断添加，上述两个问题的影断提高，其位数也不断添加，上述两个问题的影响曾经越来越小。响曾经越来越小。 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。号。 旋转编码器可分为绝对式和增量式

8、两种。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。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，在接纳安装增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接纳安装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。算转速。增量式旋转编码器表示图增量式旋转编码器表示图 添加一对发光与接纳安装，使两对发光与接纳安装错开添加一对发光与接纳安装，使两对发光与接纳安装错开光栅节距的光栅节距的1/4。 正转时正转时A相超前相超前B相；反转时相；反转时B相超前相超前A相。相。 采用简单的鉴

9、相电路可以分辨出转向。采用简单的鉴相电路可以分辨出转向。 1分辩率：分辩率： 设被测转速由设被测转速由 n1 变为变为 n2 时，引起丈量计数值改时，引起丈量计数值改动了一个字，那么测速安装的分辩率定义为动了一个字，那么测速安装的分辩率定义为Q = n1 - n2 转转/分分 Q 越小，测速安装的分辩才干越强；越小，测速安装的分辩才干越强； Q 越小，系统控制精度越高。越小，系统控制精度越高。 测速精度是指测速安装对实践转速丈量的准确测速精度是指测速安装对实践转速丈量的准确程度，常用丈量值与实践值的相对误差来表示，程度，常用丈量值与实践值的相对误差来表示，即：即：%100nnl丈量误差丈量误差

10、 越小，测速精度越高。越小，测速精度越高。l的大小取决于测速元件的制造精度和测速方的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。法。3检测时间检测时间 Tc 检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。 检测时间越短，系统呼应越快，对改善系统检测时间越短，系统呼应越快，对改善系统性能越有利。性能越有利。 任务原理：任务原理：由计数器记录由计数器记录PLG发出的发出的脉冲信号；脉冲信号； 定时器每隔时间定时器每隔时间Tc向向CPU发出中断恳求发出中断恳求INTt； CPU呼应中断后，读出计呼应中断后，读出计数值数值 M1，并将计数器清零，并将计数器清零重新计数；重

11、新计数； 根据计数值根据计数值 M 计算出对应计算出对应的转速值的转速值 n。测速原理与波形图测速原理与波形图 转速计算公式转速计算公式c160ZTMn cc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ式中：式中：Z为为PLG每转输出的脉冲个数；每转输出的脉冲个数；M法测速的分辨率法测速的分辨率 M法测速误差率法测速误差率%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTMM法测速只适用于高速段。法测速只适用于高速段。任务原理：任务原理：计数器记录来自计数器记录来自CPU的的高频脉冲高频脉冲 f0；PLG每输出一个脉冲，每输出一个脉冲，中断电路向中断电路向CPU发出

12、发出一次中断恳求；一次中断恳求；CPU 呼应呼应 INTn中断，中断，从计数器中读出计数从计数器中读出计数值值 M2，并立刻清零，并立刻清零，重新计数。重新计数。 电路与波形电路与波形 转速计算公式转速计算公式2060ZMfn ZnfZnMZMfZMfMZfQ02220202060) 1(6060) 1(60T法测速的分辨率法测速的分辨率 结论：结论：n越小，越小，Q越小。越小。 法测速误差率法测速误差率 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf故故T法测速适用于低速段。法测速适用于低速段。 lM法测速在高速段误差小；法测速在高速段误差小；lT法测速

13、在低速段分辨率强，误差小。法测速在低速段分辨率强，误差小。l 因此，可以将两种测速方法相结合，取因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输时间内旋转编码器输出的脉冲个数出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称，用来计算转速，称作作M/T法测速。法测速。 n 两种测速方法的比较两种测速方法的比较 采样时钟采样时钟Tc 由系由系统的定时器产生，统的定时器产生，其数值一直不变。其数值一直不变。 检测周期由采样检测周期由采样脉冲脉冲Tc的边沿之的边沿之后的第一个脉冲后的第一个脉冲编码

14、器的输出脉编码器的输出脉冲的边沿来决议，冲的边沿来决议，即即T= Tc T1+ T2 。 ZTMn160)1 (0)2(2fMT 转速计算公式转速计算公式20160) 3(ZMfMn 12 在高速段，在高速段，TcT1，TcT2，可看成，可看成TTc： M2f0Tf0Tc，代入上式可得：，代入上式可得： 在高速段，与在高速段，与M法测速的分辨率完全一样。法测速的分辨率完全一样。 在低速段，在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与随转速变化，分辨率与T法测法测速完全一样。速完全一样。 M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨才干。才干。 M/T

15、法在高低速时都具有较高的丈量精度。法在高低速时都具有较高的丈量精度。202102106060) 1(60ZMfZMMfZMMfQcZT60Q PI调理器时域表达式调理器时域表达式ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud )()(d )(1)()(IPpi其中其中 Kp= Kpi 为比例系数为比例系数 KI =1/ 为积分系数为积分系数将上式离散化成差分方程，其第将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为拍输出为) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki式中式中 Tsam为采样周期为采样周期

16、。位置式算法位置式算法算法特点是：比例部分只与当前的偏向有关，而算法特点是：比例部分只与当前的偏向有关，而积分部分那么是系统过去一切偏向的累积。积分部分那么是系统过去一切偏向的累积。 增量式增量式PI调理器算法调理器算法)() 1()() 1()()(samIPkeTKkekeKkukuku)() 1()(kukukuPI调理器的输出可由下式求得调理器的输出可由下式求得)1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki增量式算法增量式算法l与模拟调理器类似，在数字控制算法中，需求与模拟调理器类似，在数字控制算法中，需求对对 u 限幅

17、，这里，只须在程序内设置限幅值限幅，这里，只须在程序内设置限幅值u m，当，当 u(k) u m 时，便以限幅值时，便以限幅值 u m作为输作为输出。出。l增量式增量式PI调理器算法只需输出限幅，而位置式调理器算法只需输出限幅，而位置式算法必需同时设积分限幅和输出限幅，缺一不算法必需同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。可。 u微机数字控制双闭环直流调速系统硬件构造微机数字控制双闭环直流调速系统硬件构造如下图，系统由以下部分组成如下图，系统由以下部分组成u主电路主电路u检测电路检测电路u控制电路控制电路u给定电路给定电路u显示电路显示电路 微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWMPWM

18、调速系统硬件构造图调速系统硬件构造图 1 主回路主回路两种方式：两种方式：直流直流PWM功率变换器功率变换器晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器2 检测回路检测回路检测回路包括电压、电流、检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为转换通道变为数字量送入微机；数字量送入微机；转速检测用码盘测速。转速检测用码盘测速。 电流和电压检测除了用来构成相应的反响控电流和电压检测除了用来构成相应的反响控制外，还是各种维护和缺点诊断信息的来源。制外，还是各种维护和缺点诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，电

19、流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处置后，经需经过一定的处置后，经A/D转换送入微机，转换送入微机，其处置方法与转速一样。其处置方法与转速一样。电流互感器电流互感器霍尔效应电流变换器霍尔效应电流变换器 UH = KH B IcKH为霍尔常数；为霍尔常数；B为与被测电流为与被测电流成正比的磁通密度；成正比的磁通密度；Ic为控制电流。为控制电流。 3 缺点综合缺点综合利用微机拥有强大的逻辑判别利用微机拥有强大的逻辑判别功能，对电压、电流、温度等信号进展分析比较，功能，对电压、电流、温度等信号进展分析比较，假设发生缺点立刻进展缺点诊断，以便及时处置，假设发生缺点立刻进展缺点诊断，以便及

20、时处置，防止缺点进一步扩展。这也是采用微机控制的优防止缺点进一步扩展。这也是采用微机控制的优势所在。势所在。 4 数字控制器数字控制器数字控制器是系统的中心，数字控制器是系统的中心，可选用单片微机或数字信号处置器可选用单片微机或数字信号处置器DSP比比如：如：Intel 8X196MC系列或系列或TMS320X240系列等系列等专为电机控制设计的微处置器，本身都带有专为电机控制设计的微处置器，本身都带有A/D转换器、通用转换器、通用I/O和通讯接口，还带有普通微机和通讯接口，还带有普通微机并不具备的缺点维护、数字测速和并不具备的缺点维护、数字测速和PWM生胜利生胜利能，可大大简化数字控制系统的

21、硬件电路。能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。 5 系统给定系统给定系统给定有两种方式：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。模拟给定定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经须经A/D转换为数字量，再参与运算；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、键盘设定或采用通讯定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通讯方式由上位机直接发送见以下图。方式由上位机直接发送见以下图。a) a) 模拟给定模拟给定 b) b) 数字给定数

22、字给定 6 输出变量输出变量微机数字控制器的控制对象是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，也可以用经的通断，也可以用经 D/A 转换得到的模拟量转换得到的模拟量去控制功率变换器。去控制功率变换器。 随着电机控制公用单片微机的产生，前者逐随着电机控制公用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如渐成为主流，例如Intel公司公司8X196MC系列和系列和TI公司公司TMS320X240系列单片微机可直接生成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，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。从而控制功率变换器的输出电压。 u微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，一切的硬件也必需由软件实施管理。微机数的，一切的硬件也必需由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：字控制双闭环直流调速系统的软件有：u主程序主程序u初始化子程序初始化子程序u中断效力子程序等。中断效力子程序等。 主程序主程序完成实时性要求不高的功能，完成实