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1、沈阳建筑大学 信息与控制工程学院 马斌,计算机控制技术,第八章 微机控制系统设计实例,8.1微机控制系统的工程设计方法,8.2微机控制系统的设计与实现过程,8.3变频调速恒压供水控制系统设计,8.4加热炉控制系统设计与分析,8.5双闭环直流数字调速系统设计,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,直流传动系统广泛地应用于轧钢机、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。,设计一个直流传动系统，首先应熟悉加工工艺要求，根据生产机械对传动系统所提出的拖动功率及系统的静态、动态性能指标的要求，综合考虑各种因素，提出系统技术方案，进行硬件、算法、软件设计。,以晶闸管采用三

2、相全控整流供电的双闭环直流数字调速系统为例讨论系统的设计过程。,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,一、已知的系统参数,二、确定整体方案：,三、电流环、速度环控制器设计：,四、晶闸管触发数字控制器设计：,五、系统的总体设计：,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,一、已知的系统参数,直流电动机：Z2-41型， Ped=3Kw,Ued=220v,Ied=17.3A,ned=1500r/mis,电枢回路总电阻：R=2.5； 电动机回路电磁时间常数：TL=0.017s；,电动机机电时间常数：TM=0.152s； 电动机电势时间常数：Ce=0.13

3、52V/(r mis-1);,晶闸管整流电路滞后时间：Ts=0.0017s。,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,二、确定整体方案,采用内环为电流环，外环为速度环的双闭环数字调速系统，结构如下：,第八章 微机控制系统设计实例,二、确定整体方案,电流环设计方案：,电流内环要获取电流反馈信号，采用交流电流互感器作为电流检测元件，检测的电流信号经整流分压滤波后，变成与负载电流成比例的05V直流电压，再经A/D转换输入计算机。为此：,电流环反馈系数：5V/17.3A0.289V/A,每V电压为：17.3A/5V3.46A,每数值1代表的电压：5/2550.0196V,数值1

4、代表的电流：17.3A/2550.068A,加入分压比后：5V/（17.3A1.5）0.19V/A,电流环反馈滤波时间常数：Tfi0.0024s2.4ms 由互感器及滤波电路参数决定。,第八章 微机控制系统设计实例,二、确定整体方案,速度环设计方案：,速度环要获取转速反馈信号。采用主轴脉冲发生器作为速度反馈的检测元件。它将角度位移信号转换成脉冲序列，通过计数器即可得到转速反馈的数字信号。当然也可以采用测速发电机经分压整流滤波A/D转换送入计算机。,选定每转产生1024个脉冲的主轴脉冲发生器。,当电机转速为1转时，即主轴脉冲发生器每分钟产生1024个脉冲，为此有：600000ms/102458.

5、6ms。,即：计数器每间隔58.6ms的计数值正好为电机的每分钟转速。,第八章 微机控制系统设计实例,二、确定整体方案,速度环设计方案：,根据速度环控制器在稳态时，给定数字与反馈数字（即每个采样周期内脉冲计数）相平衡的特点，来计算速度反馈系数。,采用8位二进制数为给定值,则当其最大时Ugnm=255,电机转速应达到最高Nmax，因此有反馈系数： Ugnm=Nmax 即：,Ugnm/Nmax255/15000.17 脉冲/r mis-1 反过来讲：1/5.88， 即每一数值代表的转速Nmax/Ugnm,第八章 微机控制系统设计实例,二、确定整体方案,速度环设计方案：,估算采样周期TN:,为使反馈

6、系数与采样周期TN有关联，设当转速稳定在某一转速n时有： n*n*1024*TN,即：TN/1024 0.17/10240.000166mis9.96ms10ms,从速度环给定与反馈系数配合的角度来看，速度环采样周期TN取10ms比较合适。,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,三、电流环、速度环控制器设计：,对于双闭环数字直流调速系统一部可采用PI控制调节规律。这里用直接数字控制器设计方法。,则有： u(n) = u(n1)+u(n) =u(n-1)+kpe(n)-e(n-1)+kie(n),第八章 微机控制系统设计实例,三、电流环、速度环控制器设计：,1、电流环控

7、制器参数的整定：, 首先用扩充响应曲线法， 作飞升曲线如图：,设测试结果为：/T =0.8 因T=TL=0.017s(电机时间常数） 则：0.8*0.017=0.0136s,第八章 微机控制系统设计实例,三、电流环、速度环控制器设计：,1、电流环控制器参数的整定：, 选择控制度为1.5时，查表P46页表3-3有： T=0.50.5*0.01360.0068s6.8ms,kp0.68T/=0.68*0.017/0.0136=0.85 Ti3.93.9*0.0136=0.05304 ki=kp*T/Ti=0.85*0.0068/0.05304=0.10897, 得出电流环数字控制器： u(k)=u

8、(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kie(k) =u(k-1)+0.85e(k)-e(k-1)+0.10897e(k) =u(k-1)+0.96e(k)-0.85e(k-1),第八章 微机控制系统设计实例,三、电流环、速度环控制器设计：,2、速度环控制器参数的整定：, 首先用扩充响应曲线法， 作飞升曲线如图：,设测试结果为：/T =0.95 因T=TM* Ce=0.152*0.1352 =0.0206 则：0.95*0.0206=0.01957s,第八章 微机控制系统设计实例,三、电流环、速度环控制器设计：,2、速度环控制器参数的整定：, 选择控制度为1.5时，查表P46页表3-3有：

9、T=0.50.5*0.019570.0097s9.7ms,kp0.68T/=0.68*0.0206/0.01957=0.716 Ti3.93.9*0.01957=0.0763 ki=kp*T/Ti=0.716*0.0097/0.0763=0.091, 得出速度环数字控制器： u(k)=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kie(k) =u(k-1)+0.716e(k)-e(k-1)+0.091e(k) =u(k-1)+0.807e(k)-0.716e(k-1),第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,四、晶闸管触发数字控制器设计：,1、数字触发器的任务和分类：,三

10、相晶闸管整流电路如右所示。,为使共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管同时导通构成通路，通常都采用双脉冲触发方式。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,1、数字触发器的任务和分类：,6个晶闸管导通的顺序为：SCR1-SCR2-SCR3-SCR4-SCR5-SCR6。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,1、数字触发器的任务和分类：,单片机对电流控制器的输出控制电压Uk进行采样，以同步基点作为参考点，计算出控制角的大小，再通过定时器按控制角的大小及如图的顺序，准确地给各晶闸管发出触发脉冲，这就是数字触发器的任务。,目前数字触发器主要有两类：绝对触发和

11、相对触发。, 绝对触发方式：就是指触发脉冲形成的时刻都直接取决于基准时刻点，三相电路中要有6个基准点。,相对触发方式：是由前一个触发脉冲为基准，来确定后一个触发脉冲时刻的方法。用加长或缩短相邻2次触发脉冲之间的间距来改变控制角。在稳态时，这个间距等于60。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,2、数字触发器的控制算法：,设相邻晶闸管之间触发脉冲间距为，在稳态情况下，60，当由k-1变为k的动态过程中，遵循以下规律： = kk-160,以定时器时间常数表示为：T =TckTck-1T60。,以Uac过零点来校正触发SCR1,SCR6的控制角。,第八章 微机控制系统设计实

12、例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,2、数字触发器的控制算法：,当60时,第2个计数器的余数T可以读出，即为下一周期触发SCR1,6的控制角，同步在t6和t1之间的t0时刻，偏差计算公式为:T =TckT,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,2、数字触发器的控制算法：,当60120时，同步在t5和t6之间，偏差计算公式为:T =Tck(TT60),当120180时，同步在t4和t5之间，偏差计算公式为:T =Tck(TT120),把同步脉冲设置为中断信号，在中断处理中计算本周期的偏差T,然后用下式计算: T=TckTck-1T60T 就可以得到触发脉冲的间距，偏差就可

13、以得到纠正。,作业：,1. 当速度环采用每转产生720个脉冲的主轴脉冲发生器作为速度反馈检测元件时。已知：电机额定转速3000r/mis，速度给定为8位二进制数。 2. 试计算以多少ms为时间间隔对脉冲计数，其计数值正好对应电动机的每分钟转数？ 3. 试计算速度反馈系数，并以速度环给定与反馈的配合要求，来计算速度环的采样周期TN。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,3、建立表 ：,根据三相全桥整流电路输出电压Ud与控制角之间的关系: Ud2.34 E2 cos E2变压器二次侧相电压,若令触发整流环节成为一个放大系数为Ks的线性环节即: Ud2.34 E2 cosK

14、s Uk,即：cos-1(Uk）是一个与最小控制角和最大控制电压有关的比例因子。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,3、建立表 ：,若使cos与Uk之间成为线性关系，也就是使与Uk之间成为余弦，就可使Ud与Uk之间保持线性关系。,由cos-1(Uk)可计算出Uk与的一一对应值。由于角需参与运算，送入定时器，所以要换算成以时钟周期为基准的定时器时间常数。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,3、建立表 ：,对于6M晶振下单片机定时器工作在模式1(16位)时有： T(216T0)2 ( us ) 则：T0216T/2=21627.8 所以：T0

15、21627.8cos-1(Uk),给定一个Uk值，就可以算出一个定时器的初始值T0。应用中为提高实时性，采取事先计算对应值存储在表中。一般称其为表。,第八章 微机控制系统设计实例,四、晶闸管触发数字控制器设计：,4、脉冲分配表 ：,数字触发器依据触发顺序，发出控制信息，为方便起见，建立一个“脉冲分配表”。,每当定时触发到，CPU响应中断，从表中顺序取出数据由I/O口输出，去触发晶闸管。,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,五、系统的总体设计：,在系统整体方案的基础上进行的设计。 这部分主要任务是CPU及接口电路和输入输出通道的设计。,由系统组成结构图可知，要有电流检

16、测及反馈信号输入，同步脉冲输入，触发脉冲输出，速度计数脉冲输入及速度给定输入等。,这里按模块结构进行功能分析和控制器硬件的设计。,第八章 微机控制系统设计实例,8.5双闭环直流数字调速系统设计,三个控制器：数字速度控制器、数字电流控制器、数字晶闸管触发器。,确定的系统整体方案,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,1、数字触发器的设计：,数字触发器有2个输入量：同步脉冲信号和控制角的给定值；1个输出量：晶闸管触发信息。,其中：控制角的给定值，是由速度环、电流环经运算后给出，它可由软件程序来实现。,同步脉冲信号：由线电压Uac取来，经单相同步变压器降压、隔离后，由过零比较器和单稳电

17、路处理，可得到Uac从负半波到正半波的过零点处的同步脉冲。,为保证同步触发，同步脉冲信号必须作为中断输入。,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,1、数字触发器的设计：,对于晶闸管触发输出信息，可由P1.0P1.5输出，为提高可靠性增加一级单稳触发器，形成1ms的脉宽，再经光隔驱动脉冲变压器去触发SCR，其触发脉冲由定时器T1定时。,数字触发器硬件电路原理图,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,2、电流环数字控制器的设计：,电流环数字控制器有2个输入量：电流给定Ugi和电流检测反馈信号Ufi；1个输出量：晶闸管的控制角的给定。,其中：Ugi和的均可由软件程序来实现

18、。 硬件仅做电流检测反馈信号输入的设计。,电流环采样周期，前面已计算为6.8mS，按与速度环匹配考虑，可选为5ms，由定时器T0实现。定时中断时，起动ADC0809读取电流值。,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,2、电流环数字控制器的设计：,电流检测反馈信号的输入设计，一般可由交流互感器、整流、分压、滤波处理而形成05V的直流电压信号，再经ADC0809将其转换成数字信号送CPU。,电流环控制器硬件电路原理图,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,3、速度环数字控制器的设计：,速度环数字控制器有2个输入量：速度给定Ugn和速度反馈信号Ufn；1个输出量：电流给定

19、值Ugi。,其中：控制器输出可由软件程序来实现。,速度给定有两种方式实现：一是采用键盘输入；二是采用多圈电位器，将05V电压信号送到ADC0809进行转换，但需要显示器配合。,速度检测由主轴脉冲发生器作为传感元件，需要由计数器接收脉冲信号，前面分析已知需要58.6ms为间隔读取转数。,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,3、速度环数字控制器的设计：,速度的采样周期确定为10ms。为此，可将得到的计数脉冲值乘以5.86，即可得到实际转数。,速度环需要一个计数器和一个定时器，而CPU的T0和T1已被占用，只有扩充定时/计数器接口。,8253芯片是具有三个功能完全相同、相互独立的16

20、位定时/计数器与51系列CPU不同的是减计数器。,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,3、速度环数字控制器的设计：,8253的6种工作方式： 1方式0计数结束时中断方式,2方式1程序可控单稳方式,3方式2分频方式,4方式3发生方波方式,5方式4软件触发的选通信号方式,6方式5硬件触发选通方式,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,3、速度环数字控制器的设计：,8253的 计 数 通 道 结 构,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：,3、速度环数字控制器的设计：,当向8253写入方式控制字后，计数器输出立即变为低电平，计数器开始减计数，计数结束时，输出变为高电平，并一直保持到再次置入初值。,GATE为控制端：1计数，0停止。,第八章 微机控制系统设计实例,五、系统的总体设计：