運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件

第

3

章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

第8講內(nèi)容提要微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件數(shù)字測(cè)速與濾波數(shù)字PI調(diào)節(jié)器用離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器

模擬/數(shù)字控制系統(tǒng)的對(duì)比模擬控制系統(tǒng)：物理概念清晰，控制流向直觀，但線路復(fù)雜、通用性差、控制效果受器件性能、溫度等因素影響數(shù)字控制系統(tǒng)：穩(wěn)定性好，可靠性高，提高控制性能、增加控制功能，但離散化、數(shù)字化產(chǎn)生的量化誤差，影響控制精度和平滑性

3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)微機(jī)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，還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化：離散化：為了把模擬的連續(xù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)，這就是離散化。Otf(t)原信號(hào)Onf(nT)1234…采樣數(shù)字化：采樣后得到的離散信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，還須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。數(shù)字化OnN(nT)

離散化和數(shù)字化的負(fù)面效應(yīng)離散化和數(shù)字化的結(jié)果導(dǎo)致了時(shí)間上和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負(fù)面效應(yīng)：

（1）A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號(hào)可以有無(wú)窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，用數(shù)碼來(lái)逼近模擬信號(hào)是近似的，會(huì)產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。（2）D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理后輸出的數(shù)字信號(hào)必須由數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A和保持器將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。但是，保持器會(huì)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)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，微處理器的運(yùn)算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩個(gè)問(wèn)題的影響已經(jīng)越來(lái)越小。但微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及其負(fù)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(jì)中予以解決。

3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的硬件和軟件

3.2.0系統(tǒng)組成方式

數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：

1.數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)2.數(shù)字電路控制系統(tǒng)3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.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(diǎn)：轉(zhuǎn)速采用模擬調(diào)節(jié)器，也可采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器；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)字電路主電路--~U*nUnU*iUiUc數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點(diǎn)：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)裝置等全部由數(shù)字電路組成。3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主電路微機(jī)控制電路-~U*nUnUiU*iUc

在數(shù)字裝置中，由計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)其功能，即為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)；采用數(shù)字PI算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。3.2.1微機(jī)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(jī)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3-4所示，系統(tǒng)由以下部分組成主電路檢測(cè)電路控制電路給定電路顯示電路圖3-4微機(jī)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

主回路——微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器檢測(cè)回路——檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中：電壓、電流和溫度檢測(cè)由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。1.轉(zhuǎn)速檢測(cè)

轉(zhuǎn)速檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法：

（1）模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，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，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(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，將雙極性的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機(jī)。但偏移碼不能直接參與運(yùn)算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼，然后進(jìn)行閉環(huán)控制。（2）對(duì)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(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。

測(cè)速基本方式2.電流和電壓檢測(cè)

電流和電壓檢測(cè)除了用來(lái)構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護(hù)和故障診斷信息的來(lái)源。電流、電壓信號(hào)也存在幅值和極性的問(wèn)題，需經(jīng)過(guò)一定的處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。電流檢測(cè)方法（1）電流互感器~（2）霍爾效應(yīng)電流變換器

UH=KHBIcKH為霍爾常數(shù)；B為與被測(cè)電流成正比的磁通密度；Ic為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi故障綜合——利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。數(shù)字控制器——數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微處理器，本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和PWM生成功能，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。

系統(tǒng)給定——系統(tǒng)給定有兩種方式：（1）模擬給定：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。模擬給定須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與運(yùn)算；（2）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)定或采用通信方式由上位機(jī)直接發(fā)送見下圖。a)模擬給定

b)數(shù)字給定

鍵盤與顯示電路輸出變量——微機(jī)數(shù)字控制器的控制對(duì)象是功率變換器，可以用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。隨著電機(jī)控制專用單片微機(jī)的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列單片微機(jī)可直接生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。

3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

軟件框圖微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實(shí)施管理。微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務(wù)子程序等。

1.主程序——完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖見圖3-5。

2.初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖3-6。圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖

3．中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序

圖3-7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖

圖3-8電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖

圖3-9故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖

當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時(shí)中斷。

三種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級(jí)別最低。

3.3數(shù)字測(cè)速與濾波數(shù)字測(cè)速指標(biāo)數(shù)字測(cè)速方法M/T法測(cè)速電路數(shù)字濾波

3.3.1數(shù)字測(cè)速指標(biāo)（1）分辯率：

設(shè)被測(cè)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，引起測(cè)量計(jì)數(shù)值改變了一個(gè)字，則測(cè)速裝置的分辯率定義為Q=n1-n2（轉(zhuǎn)/分）

Q越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)；

Q越小，系統(tǒng)控制精度越高。（2）測(cè)速精度測(cè)速精度是指測(cè)速裝置對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確程度，常用測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差來(lái)表示，即測(cè)量誤差越小，測(cè)速精度越高，系統(tǒng)控制精度越高。的大小取決于測(cè)速元件的制造精度和測(cè)速方法。（3-7）

（3）檢測(cè)時(shí)間Tc

：

檢測(cè)時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時(shí)間間隔。檢測(cè)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的控制性能有很大影響。

檢測(cè)時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快，對(duì)改善系統(tǒng)性能越有利。

3.3.2數(shù)字測(cè)速方法1.旋轉(zhuǎn)編碼器

在數(shù)字測(cè)速中，常用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件。旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速原理如下圖所示光電轉(zhuǎn)換增量式旋轉(zhuǎn)編碼器

——帶Z1軌道的園刻度旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)原理旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)信號(hào)的處理2.測(cè)速原理由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測(cè)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。脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法：

（1）M法—脈沖直接計(jì)數(shù)方法；（2）T法—脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)方法；（3）M/T法—脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)方法。3.M法測(cè)速

工作原理：由計(jì)數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號(hào)；定時(shí)器每隔時(shí)間Tc向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求INTt；

CPU響應(yīng)中斷后，讀出計(jì)數(shù)值M1，并將計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù)；根據(jù)計(jì)數(shù)值M計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值n。測(cè)速原理與波形圖計(jì)算公式式中Z為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)；M法測(cè)速的分辨率

（3-1）M法測(cè)速誤差率在上式中，Z和Tc

均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖個(gè)數(shù)。高速時(shí)Z大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)將小于1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以，M法測(cè)速只適用于高速段。4.T法測(cè)速工作原理：計(jì)數(shù)器記錄來(lái)自CPU的高頻脈沖f0；PLG每輸出一個(gè)脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求；CPU響應(yīng)INTn中斷，從計(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)值M2，并立即清零，重新計(jì)數(shù)。電路與波形計(jì)算公式T法測(cè)速的分辨率

（3-2）Ｔ法測(cè)速誤差率

低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2多，所以誤差率小，測(cè)速精度高，故T法測(cè)速適用于低速段。

M法測(cè)速在高速段分辨率強(qiáng)；T法測(cè)速在低速段分辨率強(qiáng)；

因此，可以將兩種測(cè)速方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。既檢測(cè)Tc

時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測(cè)速。

兩種測(cè)速方法的比較5.M/T法測(cè)速電路結(jié)構(gòu)：工作原理：T0定時(shí)器控制采樣時(shí)間；M1計(jì)數(shù)器記錄PLG脈沖；M2計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘脈沖。波形圖：

M/T法數(shù)字測(cè)速軟件

計(jì)算公式分辨率檢測(cè)精度：低速時(shí)M/T法趨向于T法，在高速段M/T法相當(dāng)于T法的M1次平均，而在這M1次中最多產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖的誤差。

因此，M/T法測(cè)速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有較高的測(cè)速精度。

（3-3）小結(jié)

由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。數(shù)字濾波平均值濾波加權(quán)平均值濾波中值濾波中值平均濾波3.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化改進(jìn)的數(shù)字PI算法智能型PI調(diào)節(jié)器

3.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化

PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式其中Kp=Kpi

為比例系數(shù)

KI

=1/為積分系數(shù)

（3-13）（3-14）

PI調(diào)節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期

（3-15）

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法

有位置式和增量式兩種算法：位置式算法——即為式(3-15)表述的差分方程，算法特點(diǎn)是：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。

位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單明了，但需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多。

增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得

（3-17）（3-18）

限幅值設(shè)置

與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對(duì)u限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值u

m，當(dāng)u(k)

>u

m時(shí)，便以限幅值u

m作為輸出。不考慮限幅時(shí)，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。

算法流