数字控制调速自动控制系统

1、第6章 数字控制的调速自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

2、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

3、拟信号，这就是离散化。采样周期根据香农采样定理决定。Otf(t)原信号Onf(nT)1234采样数字化： 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OnN(nT)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，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）NK=(215N 离

4、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。

5、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

6、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

7、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

8、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（1）（2）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 Ts

9、am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

10、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 IcKH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

11、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）

12、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