直流调速系统的数字控制.ppt

2.4 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制武昌首义分校武昌首义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基本规律和设计方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，属模拟法，所有的调节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清晰、控制信号流向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、温度等因素的影差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。响。以微处理器为核心的数字控制系统（简称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微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度）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、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，而且自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。更改起来灵活方便。重要知识点重要知识点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调节器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、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现据通信和故障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。一、一、数字控制的主要特点数字控制的主要特点离散化：离散化：为了把模拟的连续信号为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。号，这就是离散化。采采样周期根据香农采样定样周期根据香农采样定理决定。理决定。Otf(t)原信号原信号Onf(nT)1 2 3 4采样采样数字化：数字化：采样后得到的离散信号本采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这将它转换成数字信号，这就是数字化就是数字化。数字数字化化OnN(nT)2.4.2 转速转速检测的数字化检测的数字化1 1数字式速度检测工具数字式速度检测工具数字式速度检测工具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（码盘）光电式旋转编码器（码盘）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，当电机旋转增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，当电机旋转时，码盘随之一起转动，通过光栅的作用，持续不断地开放或封时，码盘随之一起转动，通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波闭光通路，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。脉冲序列，从而可以计算转速。增量式旋转编码器示意图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，引起测量计数值改时，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变了一个字，则测速装置的分辩率定义为Q=n1-n2 （转（转/分）分）Q 越小，测速装置的分辩能力越强；越小，测速装置的分辩能力越强；Q 越小，系统控制精度越高。越小，系统控制精度越高。2数字测速方法的精度指标数字测速方法的精度指标（2）测速误差率）测速误差率 测速误差率是指测速装置对实际转速测量的精测速误差率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确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即：示，即：l测量误差测量误差 越小，越小，测速精度越高。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法。的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。（1）M法测速法测速 工作原理：工作原理：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发出中断请求发出中断请求INTt；CPU响应中断后，读出计响应中断后，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；重新计数；根据计数值根据计数值 M 计算出对计算出对应的转速值应的转速值 n。测速原理与波形图测速原理与波形图3.测速方法测速方法转速计算公式转速计算公式式中：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M法测速只适用于高速段。法测速只适用于高速段。(2)T法测速法测速工作原理：工作原理：计数器记录来自计数器记录来自CPU的高频脉冲的高频脉冲 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发出发出一次中断请求；一次中断请求；CPU 响应响应 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，并立即清零，并立即清零，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T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 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。因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计，用来计算转速，算转速，称作称作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 （1）PI调节器的传递函数调节器的传递函数PI调节器时域表达式调节器时域表达式其中其中 Kp=Kpi 为比例系数为比例系数 KI=1/为积分系数为积分系数三、数字三、数字PI调节器调节器（2）PI调节器的差分方程调节器的差分方程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 拍输出为拍输出为式中式中 Tsam为采样周期为采样周期。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差有关，而算法特点是：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。积分部分则是系统过去所有偏差的累积。增量式增量式PI调节器算法调节器算法PI调节器的输出可由下式求得调节器的输出可由下式求得增量式算法增量式算法（3）限幅值设置）限幅值设置l与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要与模拟调节器相似，在数字控制算法中，需要对对 u 限幅，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作为输出。作为输出。l增量式增量式PI调节器算法只需输出限幅，而位置式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，缺一不算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。可。（4）算法流程）算法流程四、微机数字控制双闭环直流调速四、微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件系统的硬件和软件u微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如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图所示，系统由以下部分组成主电路主电路检测电路检测电路控制电路控制电路给定电路给定电路显示电路显示电路 微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWMPWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图 u微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，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：制双闭环直流调速系统的软件有：主程序主程序初始化子程序初始化子程序中断服务子程序等。中断服务子程序等。1.主程序主程序完成实时性要求不高的功能，完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、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。与上位计算机和其他外设通信等功能。2.初始化子程序初始化子程序完成硬件器件工作方式的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。设定、系统运行参数和变量的初始化等。主程序框图主程序框图 初始化子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 中断服务子程序完成实时性强的功能，如故中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、障保护、PWM生成、状态检测和数字生成、状态检测和数字PI调节调节等等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。实时响应。转速调节中断服务子程序转速调节中断服务子程序电流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服务子程序故障保护中断服务子程序 转速调节中断转速调节中断服务子程序框图服务子程序框图 电流调节中断电流调节中断服务子程序框图服务子程序框图 故障保护中断故障保护中断服务子程序框图服务子程序框图 l当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。断。l三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。本章总结本章总结了解数字化调速的主要特点了解数字化调速的主要特点掌握测速原理、测速方法及计算方法掌握测速原理、测速方法及计算方法掌握两种形式的数字式掌握两种形式的数字式PI调节器调节器了解数字式调速系统的一般硬件及软件结构了解数字式调速系统的一般硬件及软件结构复习重点复习重点第第2章章1、重要概念、重要概念（1）直流调速系统可以克服哪些扰动，不能克服哪些扰动。）直流调速系统可以克服哪些扰动，不能克服哪些扰动。（2）P调节器的作用，调节器的作用，I调节器的作用。调节器的作用。（3）调速系统的调速指标及其关系。）调速系统的调速指标及其关系。（4）有、无静差调速系统稳定时，调节器的输出情况如何？）有、无静差调速系统稳定时，调节器的输出情况如何？2、计算、计算（1）稳态参数计算（2）动态稳定性判定第第3章章1、重要概念、重要概念（1）双闭环系统较之单闭环系统的优势。）双闭环系统较之单闭环系统的优势。（2）双闭环系统的起动分为几个阶段，每个阶段调节器的状态）双闭环系统的起动分为几个阶段，每个阶段调节器的状态如何？如何？（3）双闭环系统的控制电压）双闭环系统的控制电压Uct取决于哪些量？取决于哪些量？2、分析、分析（1）双闭环系统在突发情况下运行分析（如：转速反馈突然断线；励磁电源下降一半）3、计算、计算工程设计法第第4章章1、重要概念、重要概念（1）可逆系统的分类）可逆系统的分类（2）环流的定义及类型，环流抑制的方法。）环流的定义及类型，环流抑制的方法。（3）DLC控制信号理解。控制信号理解。2、分析、分析（1）双极性PWM变换器的工作原理，波形分析第第5章章1、重要概念、重要概念（1）电压、频率协调控制方式及特点）电压、频率协调控制方式及特点（2）交流）交流PWM的类型的类型（3）变频调速系统的类型）变频调速系统的类型2、分析、分析（1）电压和频率为什么要协调控制？恒压频比）电压和频率为什么要协调控制？恒压频比控制方式的特点？控制方式的特点？（2）不同类型的交流）不同类型的交流PWM的控制目的和控制方的控制目的和控制方法。法。直流调速系统的速度控制直流调速系统的速度控制1、重要概念、重要概念（1）数字控制的特点）数字控制的特点（2）数字测速的方法、原理及应用场合）数字测速的方法、原理及应用场合（3）PI调节器的数字表达形式。调节器的数字表达形式。