交直流調(diào)速控制系統(tǒng) 第5章課件

1、直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第 5 章內(nèi)容提要n微型計算機數(shù)字控制的主要特點微型計算機數(shù)字控制的主要特點 n微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件件和軟件 n數(shù)字測速與濾波數(shù)字測速與濾波 n數(shù)字數(shù)字PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器n用離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器用離散控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字控制器 5. 0 問題的提出問題的提出 前兩章中論述了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)前兩章中論述了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設(shè)計方法，所有的調(diào)節(jié)器均用運算放律和設(shè)計方法，所有的調(diào)節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，屬模擬控制系統(tǒng)。大器實現(xiàn)，屬模擬控制系統(tǒng)。 模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號

2、流向直觀等優(yōu)點，便于學(xué)習(xí)入門，但其控流向直觀等優(yōu)點，便于學(xué)習(xí)入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。器件的性能、溫度等因素的影響。 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標準化）硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)和

3、復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便?？刂埔?guī)律，而且更改起來靈活方便。 5. 1 微型計算機數(shù)字控制的主要特點 總之，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，總之，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，還可靠性高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。 由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比

4、，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是的主要特點是離散化離散化和和數(shù)字化數(shù)字化： 為了把模擬的連為了把模擬的連續(xù)信號輸入計算機，續(xù)信號輸入計算機，必須首先在具有一定必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它周期的采樣時刻對它們進行們進行實時采樣實時采樣，形，形成一連串的脈沖信號，成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。這就是離散化。Otf(t)原信號Onf(nT)1 2 3 4采樣離散化離散化數(shù)字化數(shù)字化 采樣后得到的離采樣后得到的離散信號本質(zhì)上還是模散信號本質(zhì)上還是模擬信號，還須經(jīng)過數(shù)擬信號，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來碼（如二進制碼）來逼

5、近離散模擬信號的逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字字信號，這就是數(shù)字化?；?。 數(shù)字化OnN(nT)n 離散化和數(shù)字化的負面效應(yīng)離散化和數(shù)字化的負面效應(yīng) 離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了時間上和離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了時間上和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負面量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負面效應(yīng)：效應(yīng)： （1）A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號可轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號可以有無窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，以有無窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，用數(shù)碼來逼近模擬信號是近似的，會產(chǎn)生用數(shù)碼來逼近模擬信號是近似的，會產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。量化誤差，影響控

6、制精度和平滑性。 （2） D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過計算機轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/A和和保持器保持器將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅(qū)動被控對象。但是，擬量，再經(jīng)放大后驅(qū)動被控對象。但是，保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐拇?，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 隨著微電子技術(shù)的進步，微處理器的運隨著微電子技術(shù)的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，算速度不斷提高，其位數(shù)也不

7、斷增加，上上述兩個問題的影響已經(jīng)越來越小述兩個問題的影響已經(jīng)越來越小。 但微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點及其負但微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點及其負面效應(yīng)需要在系統(tǒng)分析中引起重視，并在面效應(yīng)需要在系統(tǒng)分析中引起重視，并在系統(tǒng)設(shè)計中予以解決。系統(tǒng)設(shè)計中予以解決。 返回目錄返回目錄5.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的硬件和軟件的硬件和軟件 5.2.0 系統(tǒng)組成方式系統(tǒng)組成方式 數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致組成方式大致可分為三種：可分為三種： 1. 數(shù)模混合控制系統(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng) 2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路控制系統(tǒng) 3. 計算機控制系統(tǒng)計

8、算機控制系統(tǒng)1. 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)數(shù)模混合控制系統(tǒng)U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路- 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：數(shù)模混合控制系統(tǒng)特點：n轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；節(jié)器；n電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；n脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路主電路-U*nUnU*iUiUc 數(shù)字數(shù)字電路電路控制系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)特點：n除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流除主電路和功放電路外，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由調(diào)節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。數(shù)字電

9、路組成。3. 計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)主電路微機控制電路-U*nUnUiU*iUc 在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能能 ，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：n雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；n全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；n采用數(shù)字采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。算法，由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。5.2.1 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 硬件結(jié)構(gòu) 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖

10、結(jié)構(gòu)如圖5-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成所示，系統(tǒng)由以下部分組成主電路主電路檢測電路檢測電路控制電路控制電路給定電路給定電路顯示電路顯示電路圖5-4 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 n主回路微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：有兩種方式：l直流直流PWM功率變換器功率變換器l晶閘管可控整流器晶閘管可控整流器n檢測回路檢測回路包括電壓、電流、檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中：溫度和轉(zhuǎn)速檢測，其中：l電壓、電流和溫度檢測由電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；l

11、轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。1. 轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速檢測 轉(zhuǎn)速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：轉(zhuǎn)速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法： （1）模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓）模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉(zhuǎn)速的方在調(diào)速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。因此必須經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，向也是不可缺少的。因此必須經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，將雙極性的電壓信號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號，經(jīng)將雙極性的電壓信號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機。轉(zhuǎn)換后得到

12、的數(shù)字量送入微機。但偏移碼不但偏移碼不能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補碼，然后進行閉環(huán)控制。碼或補碼，然后進行閉環(huán)控制。（2）對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。速。(光電編碼器光電編碼器) 測速基本方式測速基本方式2. 電流和電壓檢測電流和電壓檢測 電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息的來源。電流、電壓信號也存在幅值和極的來源

13、。電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)性的問題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。轉(zhuǎn)換送入微機，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。 電流檢測方法電流檢測方法（1）電流互感器）電流互感器（2）霍爾效應(yīng)電流變換器）霍爾效應(yīng)電流變換器 UH = KH B IcnKH為霍爾常數(shù)；為霍爾常數(shù)；nB為與被測電流為與被測電流成正比的磁通密度；成正比的磁通密度；nIc為控制電流。為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi 信號隔離與轉(zhuǎn)換信號隔離與轉(zhuǎn)換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUin故障綜合利用微機擁有強大的邏輯利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、

14、電流、溫度等信號判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。在。n數(shù)字控制器數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機或數(shù)字信號處理器（可選用單片微機或數(shù)字信號處理器（DSP）比如：比如：Intel 8X196MC系列或系列或TMS320X240系列等專為電機控制設(shè)計的微處理器，本身系列等專為電機控制設(shè)計的微處理器，本身都帶有都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，

15、還和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)的硬件電路。 n系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：系統(tǒng)給定有兩種方式：（1）模擬給定：模擬給定：模擬給定是以模擬量表示模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經(jīng)模擬給定須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與運算；運算；（2）數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤設(shè)定、鍵盤設(shè)定的給定值，可以是撥盤設(shè)定、

16、鍵盤設(shè)定或采用通信方式由上位機直接發(fā)送或采用通信方式由上位機直接發(fā)送見下見下圖。圖。a) 模擬給定 b) 數(shù)字給定 鍵盤與顯示電路鍵盤與顯示電路LED顯示器BCD/7段碼鍵盤矩陣8選1譯碼器8選1譯碼器A0-3S0-3R0-7D0-7CLKINT8279CPU7388n輸出變量微機數(shù)字控制器的控制對象微機數(shù)字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關(guān)量直接控制功是功率變換器，可以用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)率器件的通斷，也可以用經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換得到轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。的模擬量去控制功率變換器。 隨著電機控制專用單片微機的產(chǎn)生，前隨著電機控制專用單片微機的產(chǎn)生，前者逐漸

17、成為主流，例如者逐漸成為主流，例如Intel公司公司8X196MC系列和系列和TI公司公司TMS320X240系列單片微機系列單片微機可直接生成可直接生成PWM驅(qū)動信號，經(jīng)過放大環(huán)驅(qū)動信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)控制功率器件，從而控制功率變換器的節(jié)控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。輸出電壓。 5.2.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 軟件框圖 微機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件微機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)管理。微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有：的軟件有：n主程序主程序n初

18、始化子程序初始化子程序n中斷服務(wù)子程序等中斷服務(wù)子程序等。 1. 主程序主程序完成實時性要求不高的功能，完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設(shè)通信等功顯示、與上位計算機和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖見圖能。主程序框圖見圖3-5。 2. 初始化子程序初始化子程序完成硬件器件工作方式完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖初始化子程序框圖見圖3-6。圖5-5 主程序框圖 圖5-6 初始化子程序框圖 3中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序 中斷

19、服務(wù)子程序完成實時性強的功能，中斷服務(wù)子程序完成實時性強的功能，如故障保護、如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請，提出申請，CPU實時響應(yīng)實時響應(yīng)。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序n故障保護中斷服務(wù)子程序 圖5-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 圖5-8 電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 圖5-9 故障保護中斷服務(wù)子程序框圖 當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均故障保護中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時中斷。采用定

20、時中斷。 三種中斷服務(wù)中，三種中斷服務(wù)中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級別最低。 返回目錄返回目錄5.3 傳動系統(tǒng)狀態(tài)量的轉(zhuǎn)速檢測1.脈沖式傳感器檢測轉(zhuǎn)速脈沖式傳感器檢測轉(zhuǎn)速組成組成:一個脈沖發(fā)生器和一個由微機接口芯片一個脈沖發(fā)生器和一個由微機接口芯片 等元件構(gòu)成的檢測變換與控制電路等元件構(gòu)成的檢測變換與控制電路.測速原理:脈沖發(fā)生器與被測轉(zhuǎn)軸硬性連接,由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)為設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù)為P，則，則若在時間Tc（S）內(nèi)測得轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度為，則

21、p=2 P n n=2T* *6060測速方法：測量一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)和測量脈沖 周期。數(shù)字測速方法脈沖數(shù)字（脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法：）轉(zhuǎn)換方法：nM法法脈沖直接計數(shù)方法；脈沖直接計數(shù)方法；nT 法法脈沖時間計數(shù)方法；脈沖時間計數(shù)方法；nM/T法法脈沖時間混合計數(shù)方脈沖時間混合計數(shù)方法。法。（1）M法測速法測速 工作原理：工作原理：由計數(shù)器記錄由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的發(fā)出的脈沖信號；脈沖信號； 定時器每隔時間定時器每隔時間Tc向向CPU發(fā)出中斷請求發(fā)出中斷請求INTt； CPU響應(yīng)中斷后，讀出響應(yīng)中斷后，讀出計數(shù)值計數(shù)值 m1，并將計數(shù)器清，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)；零重新計數(shù)； 根據(jù)計數(shù)值

22、根據(jù)計數(shù)值 m1 計算出對計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值應(yīng)的轉(zhuǎn)速值 n。測速原理與波形圖測速原理與波形圖n計算公式計算公式c160PTmn nM法法測速誤差率測速誤差率 在上式中，在上式中，P 和和 Tc 均為常值，因此轉(zhuǎn)速均為常值，因此轉(zhuǎn)速 n 正正比于脈沖個數(shù)。高速時比于脈沖個數(shù)。高速時P大，量化誤差較小，大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將小隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時將小于于1，測速裝置便不能正常工作。所以，測速裝置便不能正常工作。所以，M法法測速只適用于高速段。測速只適用于高速段。（2）T法測速工作原理：工作原理：n計數(shù)器記錄來自計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖的高頻脈沖

23、f0；nPLG每輸出一個脈沖，每輸出一個脈沖，中斷電路向中斷電路向CPU發(fā)出發(fā)出一次中斷請求；一次中斷請求；nCPU 響應(yīng)響應(yīng) INTn中斷，中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)從計數(shù)器中讀出計數(shù)值值 m2，并立即清零，并立即清零，重新計數(shù)。重新計數(shù)。電路與波形電路與波形n計算公式計算公式 2060Pmfn n法測速誤差率法測速誤差率 n低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2多，所以誤多，所以誤差率小，測速精度高，故差率小，測速精度高，故T法測速適用法測速適用于低速段。于低速段。 lM法測速在高速段分辨率強；法測速在高速段分辨率

24、強；lT法測速在低速段分辨率強；法測速在低速段分辨率強； 因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補短。取長補短。既檢測既檢測 Tc 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)輸出的脈沖個數(shù)m1，又檢測同一時間間，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)m2，用來計算轉(zhuǎn)，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作速，稱作M/T法測速。法測速。 n 兩種測速方法的比較（3） M/T法測速n工作原理：工作原理：在稍大于規(guī)定時間在稍大于規(guī)定時間Tc的某一時間的某一時間Td內(nèi)，分內(nèi)，分別對光電碼盤輸出的脈沖個數(shù)別對光電碼盤輸出的脈沖個數(shù)m1和高頻和高頻時鐘脈沖個數(shù)時鐘脈沖個數(shù)m

25、2進行計數(shù)。進行計數(shù)。10260m fnPmTd的開始和結(jié)束都應(yīng)當正好是光電碼盤脈沖的的開始和結(jié)束都應(yīng)當正好是光電碼盤脈沖的上跳沿，以保證檢測精度。上跳沿，以保證檢測精度。（4） 轉(zhuǎn)向判別小 結(jié) 由于由于M/T法的計數(shù)值法的計數(shù)值M1和和M2都隨著轉(zhuǎn)都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當于速的變化而變化，高速時，相當于M法法測速，最低速時，測速，最低速時，M1=1，自動進入，自動進入T法法測速。測速。 因此因此M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。測速方法。返回目錄返回目錄2.模擬式傳感器檢測轉(zhuǎn)速模擬式

26、傳感器檢測轉(zhuǎn)速其原理圖如右圖所示。組成：測速機、模擬電組成：測速機、模擬電壓變換電路、壓變換電路、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器（1）分辨率（2）測速精度（3）檢測時間（4）轉(zhuǎn)速反饋值和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)5.4 數(shù)字控制器vPIDPID控制控制: :即是即是比例、積分和微分比例、積分和微分控制。對于控制。對于實際的物理系統(tǒng)，其被控制對象通常都有儲能實際的物理系統(tǒng)，其被控制對象通常都有儲能元件，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一定元件，這就造成系統(tǒng)對輸入作用的響應(yīng)有一定的慣性；在能量和信息傳輸過程中，由于管道的慣性；在能量和信息傳輸過程中，由于管道和傳輸?shù)仍驎胍恍r間上的滯后，這往和傳輸?shù)仍驎胍恍r間上

27、的滯后，這往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。往會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)變差，甚至不穩(wěn)定。v按偏差按偏差PIDPID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的作用：改善系統(tǒng)的調(diào)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的作用：改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入節(jié)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入偏差的比例調(diào)節(jié)偏差的比例調(diào)節(jié)，以保證，以保證系統(tǒng)的系統(tǒng)的快速性快速性；引入；引入偏差的積分調(diào)節(jié)偏差的積分調(diào)節(jié)以提高以提高控制控制精度精度，引入，引入偏差的微分調(diào)節(jié)偏差的微分調(diào)節(jié)來來消除系統(tǒng)慣性消除系統(tǒng)慣性的影的影響。響。1. PID控制v表達式2. 常規(guī)PID控制器v控制結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)算法，對PID式離散化.位置式的PID控制算法. 初始時刻為零條件下，對應(yīng)于t=KT采樣時刻取 控

28、制量u(k):如果T取得足夠小,被控制的過程與連續(xù)過程將十分接近,稱為“準連續(xù)控制”.增量式PID算法.兩種控制算法的特點：位置式PID控制算法的輸出量與整個過去狀態(tài)有關(guān),計算公式中要用到偏差e(j)的累加值,容易產(chǎn)生較大的累計誤差.需占用較多的存儲單元,不便于計算機編程.增量式算法的輸出量只與3個采樣值有關(guān),計算誤差或精度不足對控制量的計算影響較小.當控制從手動切換到自動時,增量式PID調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)無沖擊切換.計算機出現(xiàn)故障時,由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用,故增量控制可使它保持原位.兩字節(jié)定點PID計算方法：為編程方便，設(shè)：調(diào)用程序前將設(shè)定值x（k）和測量值y（k）以兩字節(jié)定點數(shù)形式分別存于4

29、CH、4DH和46H、47H中。3.3.數(shù)字濾波數(shù)字濾波從系列數(shù)據(jù)中求取真值的軟件算法，通常稱為數(shù)字濾波算法。（1）程序判斷濾波采樣的信號如果因經(jīng)常受到隨機干擾的傳感器不穩(wěn)定而引起嚴重失真時,可以采用程序判斷濾波.方法:根據(jù)經(jīng)驗確定兩次采樣允許的最大偏差為Y,若兩次采樣信號的差值大于Y,表明輸入的是干擾信號,則去掉,用上次采樣值作為本次采樣值.若差值小于、等于Y，本次采樣值有效。例：當前采樣值存入30H，上次采樣值存入31H，結(jié)果存入32H。Y根據(jù)經(jīng)驗確定，本例設(shè)為01H。 ORG OOOOH ORG OOOOH PUSH ACC PUSH ACC PUSH PSW PUSH PSW MOV

30、A MOV A，30H30H；Yn AYn A CLR A CLR A SUBB A SUBB A，31H31H；求；求Yn-YYn-Yn n-1-1 JNC LP0 JNC LP0 CPL A CPL A ADD A ADD A，#01H#01HLP0LP0：CLR CCLR C CJNE A CJNE A，#01H#01H，LP2LP2LP1LP1：MOV 32HMOV 32H，30H30H JMP LP3 JMP LP3LP2LP2：JC LP1JC LP1 MOV 32H MOV 32H，31H31HLP3LP3：POP PSWPOP PSW POP A POP A（2 2）中值濾波）

31、中值濾波連續(xù)輸入連續(xù)輸入3 3個檢測信號，從中選擇一個中間值作為個檢測信號，從中選擇一個中間值作為有效信號。有效信號。例：三次采樣數(shù)據(jù)依次存入例：三次采樣數(shù)據(jù)依次存入R1R1、R2R2和和R3R3，中間值存入，中間值存入R0R0中。中。IIII：PUSH PSWPUSH PSW PUSH A PUSH A MOV A MOV A，R1R1 CLR C CLR C SUBB A SUBB A，R2R2 JNC LOB01 JNC LOB01 MOV A MOV A，R1R1 XCH A XCH A，R2R2 MOV R1 MOV R1，A ALOB01LOB01：MOV AMOV A，R3R3

32、CLR C CLR C SUBB A SUBB A，R1R1 JNC LOB04 JNC LOB04 MOV A MOV A，R2R2 MOV 32H MOV 32H，A ALOB02LOB02：POP APOP A POP PSW POP PSW RET RETLOB03LOB03：MOV AMOV A，R1R1 MOV 32H MOV 32H，A A AJMP LOB02 AJMP LOB02LOB04LOB04：MOV AMOV A，R3R3 MOV 32H MOV 32H，A A AJMP LOB02 AJMP LOB02（3 3）滑動平均值濾波）滑動平均值濾波片外片外RAM2000H

33、RAM2000H202FH202FH作作為循環(huán)隊列。為循環(huán)隊列。每次數(shù)據(jù)采每次數(shù)據(jù)采集時先扔掉隊首一個數(shù)據(jù)，集時先扔掉隊首一個數(shù)據(jù)，再把新數(shù)據(jù)放入隊尾，然再把新數(shù)據(jù)放入隊尾，然后計算平均值后計算平均值。（4 4）防脈沖干擾平均）防脈沖干擾平均值濾波：連續(xù)進行值濾波：連續(xù)進行4 4次次數(shù)據(jù)采樣，去年其中最數(shù)據(jù)采樣，去年其中最大值和最小值，求剩下大值和最小值，求剩下的兩個數(shù)據(jù)的平均值。的兩個數(shù)據(jù)的平均值。（5 5）一階滯后濾波：）一階滯后濾波：變化過程比較慢的參數(shù)，變化過程比較慢的參數(shù)，可采用一階滯后濾波?？刹捎靡浑A滯后濾波。5.5 直流脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的微機實現(xiàn)v典型的芯片有：INTEL公司的8

34、051、8096系列，ATMEL公司的89C系列，PHILIP公司的80C系列，MOTOROLA公司的系列單片機等。v特點：微處理器具有高速數(shù)據(jù)處理能力，充足的內(nèi)部定時器/計數(shù)器和中斷源，足夠的內(nèi)部RAM甚至是ROM，有的具備多路高速定時輸出口。5.5.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)LP:故障保護邏輯電路;LC:電動機正反轉(zhuǎn)控制邏輯;UPW輸出二路脈沖,經(jīng)高速輸出口送給基極驅(qū)動電路;光碼盤為轉(zhuǎn)速檢測裝置;DI:鑒相電路.1. 基極驅(qū)動電路2. 轉(zhuǎn)速反饋與鑒相電路正轉(zhuǎn)：P1超前P2 90度，M1有輸出、M2無輸出。Dt=1反轉(zhuǎn)：P1滯后P2 90度，M2有輸出、M1無輸出。 Dt=0鑒相電路工作波形如下圖所

35、示3. 8098最小系統(tǒng)組成：8098單片機、地址鎖存器74LS373、外部8KEPROM2764、鍵盤和顯示器外部擴展8279、地址譯碼器74LS138。4. 電流反饋環(huán)節(jié)5.5.2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主程序：包括對輸入輸出口的初始化；掃描鍵盤命令鎖存器；電流反饋和轉(zhuǎn)速給定的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量處理；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的運算；正反轉(zhuǎn)邏輯判斷與控制；主要控制字的重復(fù)初始化。中斷服務(wù)程序：PWM生成與輸出；電流調(diào)節(jié)器的PID計算；轉(zhuǎn)速檢測與M/T處理；故障響應(yīng)與中斷處理。系統(tǒng)的軟件包括以下兩個主要部分的程序系統(tǒng)的軟件包括以下兩個主要部分的程序1. 主程序2. 中斷服務(wù)程序電流環(huán)中斷服務(wù)程序PWM調(diào)制中斷

36、服務(wù)程序轉(zhuǎn)速信號的M/T處理服務(wù)程序5.6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速控制采用了帶有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速控制采用了帶有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)；驅(qū)動電路由晶閘管驅(qū)動電路由晶閘管- -直流電動機構(gòu)成；直流電動機構(gòu)成；控制電路主要包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、比例控制電路主要包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、比例- -積分積分- -微分微分調(diào)節(jié)器及晶閘管脈沖觸發(fā)電路；調(diào)節(jié)器及晶閘管脈沖觸發(fā)電路；走紙的長度控制主要由紙長設(shè)定和紙長脈沖反饋構(gòu)成。走紙的長度控制主要由紙長設(shè)定和紙長脈沖反饋構(gòu)成。5.6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控

37、制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制1.1.紙長的設(shè)定紙長的設(shè)定紙長的設(shè)定由紙長的設(shè)定由4 4位撥位撥盤給出。盤給出。81558155的的控控制字為制字為0CCH0CCH. .當當81558155的計數(shù)器取分頻系的計數(shù)器取分頻系數(shù)為數(shù)為1000=03E8H1000=03E8H，并處于具有自動重并處于具有自動重裝此計數(shù)初值和方裝此計數(shù)初值和方波信號輸出的工作波信號輸出的工作方式時，方式時，計數(shù)器初計數(shù)器初值為值為43E8H43E8H. .5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制MOV R0,#00HMOV R0,#00HMOV A,#0CCHMOV A,#0CCHMOVX R0,A

38、MOVX R0,AMOV R1,#04HMOV R1,#04HMOV A,#0E8HMOV A,#0E8HMOVX R1,AMOVX R1,AINC R1INC R1MOV A,#43HMOV A,#43HMOVX R1,AMOVX R1,AMOV R0,#01HMOV R0,#01HMOVX A,R0MOVX A,R0MOV 7FH,AMOV 7FH,AINC R0INC R0MOV A,R0MOV A,R0MOV 7EH,AMOV 7EH,AINC R0INC R0MOV A,#01HMOV A,#01HMOVX R0,AMOVX R0,A5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙

39、機轉(zhuǎn)速控制2.2.轉(zhuǎn)速的設(shè)定轉(zhuǎn)速的設(shè)定在調(diào)速過程中要求轉(zhuǎn)速能夠圓滑地調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用模在調(diào)速過程中要求轉(zhuǎn)速能夠圓滑地調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用模擬電壓設(shè)定轉(zhuǎn)速大小的方法。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器擬電壓設(shè)定轉(zhuǎn)速大小的方法。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809實現(xiàn)實現(xiàn)A/DA/D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入單片機內(nèi)作為轉(zhuǎn)速設(shè)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入單片機內(nèi)作為轉(zhuǎn)速設(shè)定值。定值。3.3.紙長檢測與控制紙長檢測與控制若系統(tǒng)采用的脈沖當量為若系統(tǒng)采用的脈沖當量為1cm/1cm/脈沖脈沖，當計紙長度單位，當計紙長度單位為為10m10m時，時，10001000個個反饋脈沖可使紙長設(shè)定值減反饋脈沖可使紙長設(shè)定值減1.1.此功能此功能由

40、由T1T1實現(xiàn)。實現(xiàn)。T1T1的計數(shù)初值為（的計數(shù)初值為（03E8H03E8H）補補=FC18H.=FC18H.當當T1T1在在工作方式工作方式1 1的計數(shù)狀態(tài)時，每引入的計數(shù)狀態(tài)時，每引入T1T1腳腳10001000個脈沖后，個脈沖后，單片機將自動單片機將自動T1T1的中斷服務(wù)程序，使計數(shù)值減的中斷服務(wù)程序，使計數(shù)值減1 1并重置并重置計數(shù)初值。計數(shù)初值。5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制T1INT:PUSH AT1INT:PUSH A PUSH PSW PUSH PSW MOV TH1,#0FCH MOV TH1,#0FCH MOV TL1,#18H MOV TL

41、1,#18H DEC 7FH DEC 7FH MOV A,7FH MOV A,7FH ANL A,#0FH ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,ED CJNE A,#0FH,ED DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH DEC 7FH ED: POP PSW ED: POP PSW POP A POP A RETI RETI5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制反饋信號的整形、隔離和放大：反饋信號的整形、隔離和放大：4.4.轉(zhuǎn)速

42、反饋量的求取轉(zhuǎn)速反饋量的求取光電碼盤的脈沖除用于檢測紙長外，也用來求取紙機運光電碼盤的脈沖除用于檢測紙長外，也用來求取紙機運行的線速度。行的線速度。5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制設(shè)在單片機系統(tǒng)中產(chǎn)生了一固定頻率的計量信號周期為設(shè)在單片機系統(tǒng)中產(chǎn)生了一固定頻率的計量信號周期為TcTc，兩光電反饋脈沖間的間距為，兩光電反饋脈沖間的間距為D D，當紙機運行時，在兩，當紙機運行時，在兩反饋脈沖間的計量到反饋脈沖間的計量到n n個測量信號，則有：個測量信號，則有： v=D/nTv=D/nTc c固定頻率的計量信號的個數(shù)可由固定頻率的計量信號的個數(shù)可由81558155的計數(shù)器

43、對單片機的計數(shù)器對單片機的的ALEALE分頻得到。分頻得到。獲取兩反饋脈沖間計量信號的個數(shù)，可由外部中斷獲取兩反饋脈沖間計量信號的個數(shù)，可由外部中斷0 0和和T0T0聯(lián)合實現(xiàn)。聯(lián)合實現(xiàn)。方法：將方法：將81558155輸出的計量信號直接引入定時器輸出的計量信號直接引入定時器T0T0的外部引的外部引腳，以自動加腳，以自動加1 1的方式累加計量信號的個數(shù)；反饋脈沖則的方式累加計量信號的個數(shù)；反饋脈沖則接入外中斷接入外中斷0 0，通過程序?qū)⑵湓O(shè)置成由下降沿引起中斷的，通過程序?qū)⑵湓O(shè)置成由下降沿引起中斷的工作方式，兩次中斷間的時間反映兩反饋脈沖間的持續(xù)時工作方式，兩次中斷間的時間反映兩反饋脈沖間的持續(xù)

44、時間過程，在每次中斷服務(wù)程序中，讀出間過程，在每次中斷服務(wù)程序中，讀出T0T0中已有的測量脈中已有的測量脈沖個數(shù)，并在主程序中加以運算得到紙機運行的線速度。沖個數(shù)，并在主程序中加以運算得到紙機運行的線速度。5.6.2 系統(tǒng)控制功能系統(tǒng)控制功能紙機轉(zhuǎn)速控制紙機轉(zhuǎn)速控制5.5.單片機單片機PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器此系統(tǒng)采用此系統(tǒng)采用PIPI調(diào)節(jié)器。單片機要構(gòu)成比例調(diào)節(jié)器。單片機要構(gòu)成比例- -積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)器只能采用離散差分式算法。器只能采用離散差分式算法。 u(k)=u(k-1)+u(k)=u(k-1)+u(k)u(k) u(k)=(Ku(k)=(Kp p+K+KI I)e(k)-R(k-1)

45、e(k)-R(k-1) R(k)=K R(k)=Kp pe(k)e(k)由于轉(zhuǎn)速偏差可正可負，從運算精度上考慮，宜采用雙字節(jié)由于轉(zhuǎn)速偏差可正可負，從運算精度上考慮，宜采用雙字節(jié)算法。算法。在實際編程時，為了擴大運算的范圍，可先把反饋量和給定在實際編程時，為了擴大運算的范圍，可先把反饋量和給定量都縮小幾倍，形成偏差，利用上一步的量都縮小幾倍，形成偏差，利用上一步的R(k-1)R(k-1)算出算出u(k),u(k),之后在擴大相同倍數(shù)還原；然后由之后在擴大相同倍數(shù)還原；然后由u(k)u(k)和上一步的和上一步的u(k-1)u(k-1)算出算出u(k);u(k);作為作為PIPI調(diào)節(jié)器的本步輸出值。在求取調(diào)節(jié)器的本步輸