運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)-課件2

第五章數(shù)字控制的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

5.1概述5.2數(shù)字控制中的位置傳感器和速度傳感器5.3數(shù)字控制的雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)5.4采用196MC實(shí)現(xiàn)異步機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)5.5采用DSPTMS320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)的矢量控制系統(tǒng)5.6智能控制在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用5.7運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制5.1概述

5.1.1連續(xù)控制與數(shù)字控制特點(diǎn)5.1.2典型的數(shù)字控制傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法5.1.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器5.1.1連續(xù)控制與數(shù)字控制特點(diǎn)

連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電路構(gòu)成控制器。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)原連續(xù)控制不可想象的高復(fù)雜程度、高精度的控制。5.1.2典型的數(shù)字控制傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法（1/2）

典型的單機(jī)數(shù)字控制的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。典型的數(shù)字控制的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5.1.2典型的數(shù)字控制傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法（2/2）數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，一般有三種：1、利用離散控制系列的設(shè)計(jì)方法，直接求數(shù)字調(diào)節(jié)器的Z變換，然后將其變換成差分方程；2、利用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，最后離散化，就可得到數(shù)字控制器得差分方程；3、

先由2中的前半部分，得到調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，然后進(jìn)行Z變換，得出脈沖傳遞函數(shù)，最后求出差分方程。5.1.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器（1/4）數(shù)字PI調(diào)節(jié)器：用第二章所述的工程設(shè)計(jì)方法，得到PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，該調(diào)節(jié)器的模擬輸出為：差分方程為：

5.1.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器（2/4）將上式轉(zhuǎn)換為遞推式，有即其中常數(shù)計(jì)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運(yùn)算只是進(jìn)行兩次乘法運(yùn)算和兩次加法運(yùn)算。5.1.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器（3/4）數(shù)字濾波器：假設(shè)一個(gè)濾波器的傳函：將其變?yōu)槲⒎址匠蹋簩ⅲ?，?/p>

5.1.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器（4/4）其中常數(shù)該數(shù)字濾波器每次計(jì)算只需二次乘法，一次加法運(yùn)算。5.2數(shù)字控制中的位置傳感器和速度傳感器5.2.1增量式光電碼盤(pán)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)原理5.2.2絕對(duì)式光電碼盤(pán)的位置檢測(cè)原理5.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)角原理

5.2.1增量式光電碼盤(pán)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)原理（1/7）增量式光電碼盤(pán)及其輸出波形如下圖：增量式光電碼盤(pán)及其輸出波形5.2.1增量式光電碼盤(pán)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)原理（6/7）在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，還需要測(cè)速度方向?？衫肁，B脈沖之間的相位差，采用一個(gè)D觸發(fā)器，如圖5.4(a)接線。5.2.1增量式光電碼盤(pán)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)原理（7/7）圖5.4轉(zhuǎn)速方向辨別電路及其波形5.2.2絕對(duì)式光電碼盤(pán)的位置檢測(cè)原理（1/3）二進(jìn)制碼盤(pán)圖形如圖5.5（a）所示。如果碼道數(shù)為N，則碼盤(pán)的角度分辨率為：

5.2.2絕對(duì)式光電碼盤(pán)的位置檢測(cè)原理圖5.5絕對(duì)式光電碼盤(pán)二進(jìn)制編碼5.2.2絕對(duì)式光電碼盤(pán)的位置檢測(cè)原理（3/3）根據(jù)光電接收電路得到的各位脈沖（S1,S2,S3,S4）對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖5.5（b）），可確定電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)角度。5.2.3正余弦信號(hào)的細(xì)分原理(4/5)5.2.3正余弦信號(hào)的細(xì)分原理(5/5)由uAm和uBm的極性以及|uAm|與|uBm|的關(guān)系可以判斷出θ所處區(qū)間，再根據(jù)u值就可以求出00～450的θ，進(jìn)而求出θ值。5.3數(shù)字控制的雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速器(1/4)

圖5.8數(shù)字控制的雙環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖虛框部分是采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能圖5.9微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖5.12三相同步信號(hào)電路5.3.4.1采樣周期的選擇（1/4）

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，閉環(huán)控制是按照每個(gè)采樣時(shí)刻間斷地進(jìn)行控制的，從這個(gè)角度看，希望采樣周期越短越好。從另一方面看，檢測(cè)時(shí)間越短越難以進(jìn)行精確測(cè)量，而且增大單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，運(yùn)算誤差累積增強(qiáng)，因此，希望采樣周期長(zhǎng)點(diǎn)為好。

5.3.4.1采樣周期的選擇（2/4）由于控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性與閉環(huán)系統(tǒng)的頻帶寬度有關(guān)，再根據(jù)香農(nóng)采樣定理，則采樣周期必須小于閉環(huán)系統(tǒng)的覆蓋頻率，一般取它的～。

5.3.4.1采樣周期的選擇（3/4）在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中通常同時(shí)存在響應(yīng)快慢不同的幾個(gè)狀態(tài)。若以最快狀態(tài)選擇采樣周期，系統(tǒng)將要對(duì)慢狀態(tài)進(jìn)行沒(méi)必要的多次運(yùn)算；若以最慢狀態(tài)選擇采樣周期，快狀態(tài)將丟失許多有用信息，還會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)振蕩。所以，一般采用多重采樣周期控制，即對(duì)快狀態(tài)采用短采樣周期，對(duì)慢狀態(tài)采用長(zhǎng)采樣周期。5.3.4.1采樣周期的選擇（4/4）在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)速度快，采樣周期通常選為1～3.3ms，速度環(huán)是外環(huán)，采樣周期選為10～20ms。流程圖圖5.13電流環(huán)的中斷服務(wù)程序流程圖

流程圖圖5.14速度環(huán)的中斷服務(wù)程序流程圖

5.4采用196MC實(shí)現(xiàn)異步機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(1/3)

系統(tǒng)框圖如圖5.15所示。該系統(tǒng)是以高性能的電機(jī)控制專用芯片196MC單片機(jī)為控制核心，采用智能功率模塊IPM實(shí)現(xiàn)，交直交電壓型逆變器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)為控制對(duì)象。

5.4采用196MC實(shí)現(xiàn)異步機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(2/3)圖5.15采用196MC實(shí)現(xiàn)的異步機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

片內(nèi)結(jié)構(gòu)框圖5.5采用DSP-TMS320實(shí)現(xiàn)的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

5.5.1DSP-TMS320簡(jiǎn)介5.5.2用TMS320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制5.5.3典型的變頻矢量控制器產(chǎn)品剖析5.5.1DSP-TMS320簡(jiǎn)介(1/8)DSP從數(shù)學(xué)角度看它就是一個(gè)高速的運(yùn)算系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍極廣，如經(jīng)典或現(xiàn)代的數(shù)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)快速的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)圖像處理語(yǔ)言處理智能儀器儀表通信領(lǐng)域5.5.1DSP-TMS320簡(jiǎn)介(2/8)美國(guó)TI公司是目前世界上專門從事DSP器件設(shè)計(jì)和制造的大廠商之一。TI的DSP器件特別適用于通信、控制和消費(fèi)類電子產(chǎn)品。其中TMS320系列具有獨(dú)特的技術(shù)先進(jìn)性，被交流變頻產(chǎn)品普遍采用。5.5.1DSP-TMS320簡(jiǎn)介(3/8)TMS320系列的主要特點(diǎn)有：哈佛結(jié)構(gòu)流水線技術(shù)循環(huán)尋址和位倒序技術(shù)高速數(shù)據(jù)傳輸能力快速的乘積累加運(yùn)算

結(jié)構(gòu)圖5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(5/12)1.定子電流iA*,iB*,iC*的計(jì)算

定子三相電流的給定值是作為主電路電流跟蹤型（滯環(huán)控制）的PWM變頻器的輸入，應(yīng)由TMS320計(jì)算后輸出的。iA*,iB*,iC*是由轉(zhuǎn)矩電流給定值iT1*和勵(lì)磁電流給定值iM1*經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換再經(jīng)2/3變換得到的，變換公式在第三章中已介紹。5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(6/12)2.轉(zhuǎn)矩電流給定值iT1*的計(jì)算iT1*是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出，ASR采用PI調(diào)節(jié)器，其輸入為轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速反饋之差。5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(7/12)3.勵(lì)磁電流給定值iM1*的計(jì)算

iM1*為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器AψR(shí)的輸出，給定的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ2*

與由磁鏈觀測(cè)器計(jì)算出的轉(zhuǎn)子實(shí)際磁鏈ψ2

之差為AψR(shí)的輸入。此方法引入磁鏈觀測(cè)器和磁鏈調(diào)節(jié)器，即為直接磁場(chǎng)定向。5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(8/12)

若采用間接磁場(chǎng)定向，可省去磁通觀測(cè)器和磁通調(diào)節(jié)器的計(jì)算，iM1*可由公式（3.86）推出：由此式計(jì)算的iM1*不能保證轉(zhuǎn)子磁通ψ2與給定ψ2*無(wú)差，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)子磁通是開(kāi)環(huán)控制。此時(shí)ψ2*的值可由函數(shù)決定，當(dāng)中低速運(yùn)算時(shí)，ψ2*為一常數(shù)，當(dāng)高速弱磁運(yùn)行時(shí)，ψ2*隨轉(zhuǎn)速的升高而降低。

5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(9/12)4.定子電流相位角ρ的計(jì)算

在旋轉(zhuǎn)變換中，需要定子電流相位角ρ，角度之間的關(guān)系如圖5.19所示。ρ是定子電流與定子α軸的夾角，可以由下式算出：5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(10/12)其中δ*為定子電流矢量Is與M軸的夾角，可由iT1*和iM1*計(jì)算得出（）；為轉(zhuǎn)子磁鏈ψ2與定子d軸的相位角，即，為實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率之和，為初始相位。因此，上式可以表示為：5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(11/12)有關(guān)初始相位的計(jì)算，直接關(guān)系到矢量控制的精度，有許多文章介紹了各自的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最常用的方法就是在系統(tǒng)上電自檢測(cè)時(shí)，對(duì)值進(jìn)行測(cè)算。

5.5.2用TM320實(shí)現(xiàn)異步機(jī)矢量控制(12/12)5.轉(zhuǎn)速實(shí)際值的計(jì)算采用光電碼盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算的方法，前面已經(jīng)介紹了采用M/T法能更大范圍地測(cè)速，但要注意采樣時(shí)間的要求。

5.5.3典型的變頻矢量控制器產(chǎn)品剖析

矢量控制的變頻器產(chǎn)品很多，在此僅以一個(gè)典型---美國(guó)ABB公司的1336Force變頻器為例，剖析變頻器產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)，控制原理及使用方法。5.5.3.11336Force的硬件結(jié)構(gòu)

1336Force硬件采用多板組合結(jié)構(gòu)，由主電路板、主控制板及適配板組成。1336Force的主電路結(jié)構(gòu)（1/4）主電路采用交-直-交的變頻方式，完成電源的整流、濾波和逆變的功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖5.19所示。結(jié)構(gòu)圖圖5.191336Force的主電路結(jié)構(gòu)圖1336Force的控制電路（1/6）1336Force的控制電路由兩部分組成：主控板電路適配板電路1336Force的控制電路（2/6）主控板是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制算法的部件，按功能大致可分為速度控制器部分轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器部分模擬電流調(diào)節(jié)器部分邏輯控制部分1336Force的控制電路（3/6）主控板上還提供了變頻器與變頻器之間進(jìn)行通訊的接口測(cè)速碼盤(pán)的反饋接口主電路板信號(hào)排線的接口1336Force的控制電路（4/6）適配板主要處理變頻器的各種輸入輸出量，以及可選配的一些功能，如標(biāo)準(zhǔn)適配板PLC通訊適配板Devicenet現(xiàn)場(chǎng)總線通訊適配板1336Force的控制電路（5/6）標(biāo)準(zhǔn)適配板適滿足最低需求的，它提供了兩個(gè)scanport標(biāo)準(zhǔn)通訊口一個(gè)用于與變頻器的控制面板（HIM——HumanInterfaceMoudle）通訊另一個(gè)用于上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)總線通訊1336Force的控制電路（6/6）主控板上和適配板上都提供了許多硬件測(cè)試點(diǎn)，變頻上電后，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)這些點(diǎn)電量的變化，判斷其工作狀態(tài)，或迅速找出故障原因。

5.5.3.21336Force的控制原理(1/11)1336Force交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用基于直接磁場(chǎng)定向的矢量控制原理，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的獨(dú)立控制，具有與直流調(diào)速系統(tǒng)相類似的調(diào)速性能。

5.5.3.21336Force的控制原理(2/11)1336Force有兩種轉(zhuǎn)速反饋方式。一種是碼盤(pán)反饋一種是無(wú)速度反饋器，而采用反饋電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)選用無(wú)速度傳感器時(shí)，1336Force實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)原理圖如圖5.20所示。

圖5.201336Force實(shí)現(xiàn)的無(wú)速度傳感器的矢量控制原理圖5.5.3.21336Force的控制原理(4/11)從圖中可以看到，1336Force調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為速度調(diào)節(jié)和磁通調(diào)節(jié)環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)。電流調(diào)節(jié)部分采用高帶寬的模擬電流調(diào)節(jié)器，充分利用其響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。5.5.3.21336Force的控制原理(5/11)自適應(yīng)控制器的輸入為:變頻器輸出電壓的實(shí)測(cè)值；轉(zhuǎn)矩電流參考值；通過(guò)自檢測(cè)程序得到的電機(jī)的各種參數(shù)。輸出為:轉(zhuǎn)速估計(jì)值；定子頻率。5.5.3.21336Force的控制原理(6/11)圖中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用功能完備的PI控制，該P(yáng)I調(diào)節(jié)器的原理圖如下圖。它提供轉(zhuǎn)速的平方根反饋誤差反向預(yù)負(fù)載輸出限幅積分輸出置零飛速起動(dòng)切換功能完備的PI控制原理圖5.5.3.21336Force的控制原理(8/11)參考轉(zhuǎn)速的選擇外部給定轉(zhuǎn)速1、轉(zhuǎn)速25個(gè)預(yù)置轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速選擇

采樣光電碼盤(pán)的外部反饋無(wú)速度傳感器模式下的內(nèi)部反饋5.5.3.21336Force的控制原理(9/11)PI調(diào)節(jié)器

的輸入有兩種：參考轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速此調(diào)節(jié)器的輸出到兩個(gè)地方：一是與轉(zhuǎn)速的斜坡輸入相加，參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出二是輸出到參考轉(zhuǎn)矩選擇部分5.5.3.21336Force的控制原理(10/11)磁通調(diào)節(jié)器的兩個(gè)輸入：一是根據(jù)速度調(diào)節(jié)的速度值設(shè)定磁通給定值（恒磁調(diào)速或弱磁調(diào)速）二是自適應(yīng)控制器計(jì)算出的磁通觀測(cè)值作為磁通的反饋值其輸出為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈電流分量5.5.3.21336Force的控制原理(11/11)電流分解及模擬電流調(diào)節(jié)器：磁通調(diào)節(jié)器輸出的磁鏈電流分量與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出的轉(zhuǎn)矩電流分量先后經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換和2/3變換后，得到三相電流的給定值。三相電流的給定值和反饋值經(jīng)模擬電流調(diào)節(jié)器，輸出驅(qū)動(dòng)6個(gè)IGBT的SPWM控制信號(hào)。5.5.3.31336Force的使用(1/13)

1336Force變頻器自帶一塊人機(jī)控制面板（H/M），通過(guò)scanport口與主控板通訊?？刂泼姘迦鐖D5.22所示，它分上下兩部分?？刂泼姘鍒D圖5.221336Force的控制面板圖5.24階躍輸入時(shí)1336Force的起停曲線(加速和減速時(shí)間可調(diào)，給定轉(zhuǎn)速為700RMP)

5.5.3.31336Force的使用(13/13)1336Force在無(wú)速度傳感器時(shí)，調(diào)速精度可達(dá)1%，調(diào)速范圍為40：1；帶電光碼盤(pán)測(cè)速時(shí)，調(diào)速精度可高達(dá)0.01%，調(diào)速范圍為120：1。

5.6.4無(wú)速度傳感器技術(shù)5.6.4.1由電機(jī)方程直接計(jì)算轉(zhuǎn)速

5.6.4.2用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行辨識(shí)

5.6.4.3遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行辨識(shí)

5.6.4.1由電機(jī)方程直接計(jì)算轉(zhuǎn)速(1/3)交流電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程如下

:

(5.62)5.6.4.1由電機(jī)方程直接計(jì)算轉(zhuǎn)速(2/3)

(5.63)

(5.64)5.6.4.1由電機(jī)方程直接計(jì)算轉(zhuǎn)速(3/3)

(5.65)

由式(5.61),(5.62),(5.63),(5.64)可得轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

(5.66)即轉(zhuǎn)速可由轉(zhuǎn)子磁鏈、定子電流及電機(jī)參數(shù)得到。5.7運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制

5.7.1工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.7.2工業(yè)控制中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

5.7.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息管理5.7.4網(wǎng)絡(luò)控制中的安全問(wèn)題

5.7.1工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(1/12)Rockwell-Automation構(gòu)造的Ethernet-Controlnet-Devicenet（以太網(wǎng)—控制網(wǎng)—設(shè)