运动控制系统-课件2

第五章数字控制的运动系统

5.1概述5.2数字控制中的位置传感器和速度传感器5.3数字控制的双闭环可逆直流调速系统5.4采用196MC实现异步机直接转矩控制系统5.5采用DSPTMS320实现异步机的矢量控制系统5.6智能控制在运动控制中的应用5.7运动控制系统的网络控制5.1概述

5.1.1连续控制与数字控制特点5.1.2典型的数字控制传动系统结构及其设计方法5.1.3数字PI调节器和数字滤波器5.1.1连续控制与数字控制特点

连续控制系统是以反馈控制理论为基础，由模拟电子电路构成控制器。以微处理器为核心的数字控制系统，不仅克服了上述连续控制的弱点，而且可以实现原连续控制不可想象的高复杂程度、高精度的控制。5.1.2典型的数字控制传动系统结构及其设计方法（1/2）

典型的单机数字控制的传动系统结构图如图所示。典型的数字控制的传动系统结构框图

5.1.2典型的数字控制传动系统结构及其设计方法（2/2）数字控制器的设计方法，一般有三种：1、利用离散控制系列的设计方法，直接求数字调节器的Z变换，然后将其变换成差分方程；2、利用连续系统的设计方法，设计出模拟调节器的传递函数，最后离散化，就可得到数字控制器得差分方程；3、

先由2中的前半部分，得到调节器的传递函数，然后进行Z变换，得出脉冲传递函数，最后求出差分方程。5.1.3数字PI调节器和数字滤波器（1/4）数字PI调节器：用第二章所述的工程设计方法，得到PI调节器的传递函数为：，该调节器的模拟输出为：差分方程为：

5.1.3数字PI调节器和数字滤波器（2/4）将上式转换为递推式，有即其中常数计算本次的控制量只需上次的控制量和上次和本次的偏差量即可。每次PI运算只是进行两次乘法运算和两次加法运算。5.1.3数字PI调节器和数字滤波器（3/4）数字滤波器：假设一个滤波器的传函：将其变为微分方程：将，代入，得

5.1.3数字PI调节器和数字滤波器（4/4）其中常数该数字滤波器每次计算只需二次乘法，一次加法运算。5.2数字控制中的位置传感器和速度传感器5.2.1增量式光电码盘的转速检测原理5.2.2绝对式光电码盘的位置检测原理5.2.3旋转变压器的测角原理

5.2.1增量式光电码盘的转速检测原理（1/7）增量式光电码盘及其输出波形如下图：增量式光电码盘及其输出波形5.2.1增量式光电码盘的转速检测原理（6/7）在可逆调速系统中，还需要测速度方向。可利用A，B脉冲之间的相位差，采用一个D触发器，如图5.4(a)接线。5.2.1增量式光电码盘的转速检测原理（7/7）图5.4转速方向辨别电路及其波形5.2.2绝对式光电码盘的位置检测原理（1/3）二进制码盘图形如图5.5（a）所示。如果码道数为N，则码盘的角度分辨率为：

5.2.2绝对式光电码盘的位置检测原理图5.5绝对式光电码盘二进制编码5.2.2绝对式光电码盘的位置检测原理（3/3）根据光电接收电路得到的各位脉冲（S1,S2,S3,S4）对应关系（如图5.5（b）），可确定电机轴的旋转角度。5.2.3正余弦信号的细分原理(4/5)5.2.3正余弦信号的细分原理(5/5)由uAm和uBm的极性以及|uAm|与|uBm|的关系可以判断出θ所处区间，再根据u值就可以求出00～450的θ，进而求出θ值。5.3数字控制的双闭环可逆直流调速器(1/4)

图5.8数字控制的双环可逆直流调速系统原理图虚框部分是采用微机实现的功能图5.9微机系统结构图图5.12三相同步信号电路5.3.4.1采样周期的选择（1/4）

在数字控制系统中，闭环控制是按照每个采样时刻间断地进行控制的，从这个角度看，希望采样周期越短越好。从另一方面看，检测时间越短越难以进行精确测量，而且增大单片机的运算负担，运算误差累积增强，因此，希望采样周期长点为好。

5.3.4.1采样周期的选择（2/4）由于控制系统的响应特性与闭环系统的频带宽度有关，再根据香农采样定理，则采样周期必须小于闭环系统的覆盖频率，一般取它的～。

5.3.4.1采样周期的选择（3/4）在一个闭环系统中通常同时存在响应快慢不同的几个状态。若以最快状态选择采样周期，系统将要对慢状态进行没必要的多次运算；若以最慢状态选择采样周期，快状态将丢失许多有用信息，还会使闭环系统振荡。所以，一般采用多重采样周期控制，即对快状态采用短采样周期，对慢状态采用长采样周期。5.3.4.1采样周期的选择（4/4）在双闭环系统中，电流环作为速度环的内环，响应速度快，采样周期通常选为1～3.3ms，速度环是外环，采样周期选为10～20ms。流程图图5.13电流环的中断服务程序流程图

流程图图5.14速度环的中断服务程序流程图

5.4采用196MC实现异步机直接转矩控制系统(1/3)

系统框图如图5.15所示。该系统是以高性能的电机控制专用芯片196MC单片机为控制核心，采用智能功率模块IPM实现，交直交电压型逆变器为执行机构，异步电机为控制对象。

5.4采用196MC实现异步机直接转矩控制系统(2/3)图5.15采用196MC实现的异步机直接转矩控制系统结构图

片内结构框图5.5采用DSP-TMS320实现的异步电机矢量控制系统

5.5.1DSP-TMS320简介5.5.2用TMS320实现异步机矢量控制5.5.3典型的变频矢量控制器产品剖析5.5.1DSP-TMS320简介(1/8)DSP从数学角度看它就是一个高速的运算系统，其应用范围极广，如经典或现代的数学算法实现快速的实时控制系统图像处理语言处理智能仪器仪表通信领域5.5.1DSP-TMS320简介(2/8)美国TI公司是目前世界上专门从事DSP器件设计和制造的大厂商之一。TI的DSP器件特别适用于通信、控制和消费类电子产品。其中TMS320系列具有独特的技术先进性，被交流变频产品普遍采用。5.5.1DSP-TMS320简介(3/8)TMS320系列的主要特点有：哈佛结构流水线技术循环寻址和位倒序技术高速数据传输能力快速的乘积累加运算

结构图5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(5/12)1.定子电流iA*,iB*,iC*的计算

定子三相电流的给定值是作为主电路电流跟踪型（滞环控制）的PWM变频器的输入，应由TMS320计算后输出的。iA*,iB*,iC*是由转矩电流给定值iT1*和励磁电流给定值iM1*经旋转变换再经2/3变换得到的，变换公式在第三章中已介绍。5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(6/12)2.转矩电流给定值iT1*的计算iT1*是转速调节器ASR的输出，ASR采用PI调节器，其输入为转速给定和转速反馈之差。5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(7/12)3.励磁电流给定值iM1*的计算

iM1*为转子磁链调节器AψR的输出，给定的转子磁链ψ2*

与由磁链观测器计算出的转子实际磁链ψ2

之差为AψR的输入。此方法引入磁链观测器和磁链调节器，即为直接磁场定向。5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(8/12)

若采用间接磁场定向，可省去磁通观测器和磁通调节器的计算，iM1*可由公式（3.86）推出：由此式计算的iM1*不能保证转子磁通ψ2与给定ψ2*无差，因为此时转子磁通是开环控制。此时ψ2*的值可由函数决定，当中低速运算时，ψ2*为一常数，当高速弱磁运行时，ψ2*随转速的升高而降低。

5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(9/12)4.定子电流相位角ρ的计算

在旋转变换中，需要定子电流相位角ρ，角度之间的关系如图5.19所示。ρ是定子电流与定子α轴的夹角，可以由下式算出：5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(10/12)其中δ*为定子电流矢量Is与M轴的夹角，可由iT1*和iM1*计算得出（）；为转子磁链ψ2与定子d轴的相位角，即，为实测的转子转速与转差率之和，为初始相位。因此，上式可以表示为：5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(11/12)有关初始相位的计算，直接关系到矢量控制的精度，有许多文章介绍了各自的实践经验，最常用的方法就是在系统上电自检测时，对值进行测算。

5.5.2用TM320实现异步机矢量控制(12/12)5.转速实际值的计算采用光电码盘进行转速计算的方法，前面已经介绍了采用M/T法能更大范围地测速，但要注意采样时间的要求。

5.5.3典型的变频矢量控制器产品剖析

矢量控制的变频器产品很多，在此仅以一个典型---美国ABB公司的1336Force变频器为例，剖析变频器产品的硬件结构，控制原理及使用方法。5.5.3.11336Force的硬件结构

1336Force硬件采用多板组合结构，由主电路板、主控制板及适配板组成。1336Force的主电路结构（1/4）主电路采用交-直-交的变频方式，完成电源的整流、滤波和逆变的功能，其结构图如图5.19所示。结构图图5.191336Force的主电路结构图1336Force的控制电路（1/6）1336Force的控制电路由两部分组成：主控板电路适配板电路1336Force的控制电路（2/6）主控板是实现对电机的控制算法的部件，按功能大致可分为速度控制器部分转矩调节器部分模拟电流调节器部分逻辑控制部分1336Force的控制电路（3/6）主控板上还提供了变频器与变频器之间进行通讯的接口测速码盘的反馈接口主电路板信号排线的接口1336Force的控制电路（4/6）适配板主要处理变频器的各种输入输出量，以及可选配的一些功能，如标准适配板PLC通讯适配板Devicenet现场总线通讯适配板1336Force的控制电路（5/6）标准适配板适满足最低需求的，它提供了两个scanport标准通讯口一个用于与变频器的控制面板（HIM——HumanInterfaceMoudle）通讯另一个用于上位机或现场总线通讯1336Force的控制电路（6/6）主控板上和适配板上都提供了许多硬件测试点，变频上电后，可以通过监测这些点电量的变化，判断其工作状态，或迅速找出故障原因。

5.5.3.21336Force的控制原理(1/11)1336Force交流变频调速系统采用基于直接磁场定向的矢量控制原理，真正实现了对转矩和磁链的独立控制，具有与直流调速系统相类似的调速性能。

5.5.3.21336Force的控制原理(2/11)1336Force有两种转速反馈方式。一种是码盘反馈一种是无速度反馈器，而采用反馈电压进行转速辨识选用无速度传感器时，1336Force实现的控制系统原理图如图5.20所示。

图5.201336Force实现的无速度传感器的矢量控制原理图5.5.3.21336Force的控制原理(4/11)从图中可以看到，1336Force调速系统采用双闭环控制，外环为速度调节和磁通调节环，内环为电流调节。电流调节部分采用高带宽的模拟电流调节器，充分利用其响应迅速的特点。5.5.3.21336Force的控制原理(5/11)自适应控制器的输入为:变频器输出电压的实测值；转矩电流参考值；通过自检测程序得到的电机的各种参数。输出为:转速估计值；定子频率。5.5.3.21336Force的控制原理(6/11)图中的转速调节器采用功能完备的PI控制，该PI调节器的原理图如下图。它提供转速的平方根反馈误差反向预负载输出限幅积分输出置零飞速起动切换功能完备的PI控制原理图5.5.3.21336Force的控制原理(8/11)参考转速的选择外部给定转速1、转速25个预置转速反馈转速选择

采样光电码盘的外部反馈无速度传感器模式下的内部反馈5.5.3.21336Force的控制原理(9/11)PI调节器

的输入有两种：参考转速反馈转速此调节器的输出到两个地方：一是与转速的斜坡输入相加，参与转速调节器的输出二是输出到参考转矩选择部分5.5.3.21336Force的控制原理(10/11)磁通调节器的两个输入：一是根据速度调节的速度值设定磁通给定值（恒磁调速或弱磁调速）二是自适应控制器计算出的磁通观测值作为磁通的反馈值其输出为旋转坐标系下的磁链电流分量5.5.3.21336Force的控制原理(11/11)电流分解及模拟电流调节器：磁通调节器输出的磁链电流分量与转速调节器的输出的转矩电流分量先后经旋转变换和2/3变换后，得到三相电流的给定值。三相电流的给定值和反馈值经模拟电流调节器，输出驱动6个IGBT的SPWM控制信号。5.5.3.31336Force的使用(1/13)

1336Force变频器自带一块人机控制面板（H/M），通过scanport口与主控板通讯。控制面板如图5.22所示，它分上下两部分。控制面板图图5.221336Force的控制面板图5.24阶跃输入时1336Force的起停曲线(加速和减速时间可调，给定转速为700RMP)

5.5.3.31336Force的使用(13/13)1336Force在无速度传感器时，调速精度可达1%，调速范围为40：1；带电光码盘测速时，调速精度可高达0.01%，调速范围为120：1。

5.6.4无速度传感器技术5.6.4.1由电机方程直接计算转速

5.6.4.2用BP神经网络对转速进行辨识

5.6.4.3递归神经网络对转速进行辨识

5.6.4.1由电机方程直接计算转速(1/3)交流电机两相静止坐标系下的状态方程如下

:

(5.62)5.6.4.1由电机方程直接计算转速(2/3)

(5.63)

(5.64)5.6.4.1由电机方程直接计算转速(3/3)

(5.65)

由式(5.61),(5.62),(5.63),(5.64)可得转速计算公式：

(5.66)即转速可由转子磁链、定子电流及电机参数得到。5.7运动控制系统的网络控制

5.7.1工业控制系统的网络结构5.7.2工业控制中的现场总线技术

5.7.3运动控制系统的远程监控和信息管理5.7.4网络控制中的安全问题

5.7.1工业控制系统的网络结构(1/12)Rockwell-Automation构造的Ethernet-Controlnet-Devicenet（以太网—控制网—设