直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制

1、好學力行河南理工大學明德任責自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)河南理工大學電氣學院河南理工大學電氣學院朱藝鋒朱藝鋒Email:Email:Automation Control System好學力行河南理工大學明德任責第五章第五章數(shù)字化直流調速系統(tǒng)數(shù)字化直流調速系統(tǒng)好學力行河南理工大學明德任責好學力行河南理工大學明德任責前三章講的是直流調速系統(tǒng)；前三章講的是直流調速系統(tǒng)；第四章講的是調節(jié)器的工程設計方法；第四章講的是調節(jié)器的工程設計方法；本章來討論直流調速系統(tǒng)的工程設計問題。本章來討論直流調速系統(tǒng)的工程設計問題。好學力行河南理工大學明德任責好學力行河南理工大學明德任責5.0 模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)模擬

2、控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng) 前面論述的直流調速系統(tǒng)，其調節(jié)器均用運前面論述的直流調速系統(tǒng)，其調節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，屬算放大器實現(xiàn)，屬模擬控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)。 模擬系統(tǒng)優(yōu)點模擬系統(tǒng)優(yōu)點：物理概念清晰、控制信號流：物理概念清晰、控制信號流向直觀，便于學習入門；向直觀，便于學習入門； 模擬系統(tǒng)缺點模擬系統(tǒng)缺點： 線路復雜、通用性差，控制線路復雜、通用性差，控制效果受器件的性能、溫度等因素的影響，控制精效果受器件的性能、溫度等因素的影響，控制精度差。度差。 好學力行河南理工大學明德任責 數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)：以微處理器為核心，調節(jié)器、甚：以微處理器為核心，調節(jié)器、甚至觸發(fā)電路都可在微處理器中實現(xiàn)

3、的控制系統(tǒng)。至觸發(fā)電路都可在微處理器中實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)優(yōu)點數(shù)字控制系統(tǒng)優(yōu)點：控制參數(shù)調節(jié)方便，不受器：控制參數(shù)調節(jié)方便，不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行復雜運件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行復雜運算，可以實現(xiàn)像非線性、智能化等復雜控制。可算，可以實現(xiàn)像非線性、智能化等復雜控制?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等多種功能；實現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等多種功能；穩(wěn)穩(wěn)定性好，可靠性高；體積小，耗能少。此外，還定性好，可靠性高；體積小，耗能少。此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制擁有信息存儲、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。系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。缺

4、點：缺點：難度大。難度大。好學力行河南理工大學明德任責本章提要本章提要5.1 5.1 微機數(shù)字控制的主要特點微機數(shù)字控制的主要特點5.2 5.2 微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的軟硬件微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的軟硬件5.3 5.3 數(shù)字測速數(shù)字測速5.4 5.4 數(shù)字數(shù)字PIPI調節(jié)器調節(jié)器5.5 5.5 數(shù)字觸發(fā)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)實現(xiàn)5.6 5.6 數(shù)字直流調速系統(tǒng)舉例分析數(shù)字直流調速系統(tǒng)舉例分析第五章第五章 數(shù)字化直流調速系統(tǒng)數(shù)字化直流調速系統(tǒng)好學力行河南理工大學明德任責 5.1 微機數(shù)字控制的主要特點微機數(shù)字控制的主要特點 由于微機只能由于微機只能處理數(shù)字信號，因此，處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系

5、統(tǒng)相比，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和的主要特點是離散化和數(shù)字化。數(shù)字化。好學力行河南理工大學明德任責v離散化（采樣）離散化（采樣） 為了把模擬的連續(xù)信為了把模擬的連續(xù)信號輸入微機，必須對它們號輸入微機，必須對它們進行實時采樣，形成一連進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化模擬信號，這就是離散化 香農(nóng)定理香農(nóng)定理：確保不失真。：確保不失真。Otf(t)原信號原信號Onf(nT)1 2 3 4采樣采樣好學力行河南理工大學明德任責v數(shù)字化（量化）：數(shù)字化（量化）： 采樣后得到的離散采樣后得到的離散信號本質上

6、還是模擬信信號本質上還是模擬信號，還須經(jīng)過數(shù)字量化號，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉擬信號的幅值，將它轉換成數(shù)字信號，這就是換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。數(shù)字化。 數(shù)字化數(shù)字化OnN(nT)好學力行河南理工大學明德任責n 離散化和數(shù)字化的負面效應離散化和數(shù)字化的負面效應 離散化和數(shù)字化的結果導致了時間上離散化和數(shù)字化的結果導致了時間上和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負面效應：面效應： （1）A/D轉換的量化誤差轉換的量化誤差：模擬信號可：模擬信號可以有無窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總

7、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，量化誤差，影響控制精度和平滑性影響控制精度和平滑性。好學力行河南理工大學明德任責 （2） D/A轉換的滯后效應轉換的滯后效應：經(jīng)過計算機經(jīng)過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉換器運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放和保持器將它轉換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅動被控對象。但是，保持器會提高控制系大后驅動被控對象。但是，保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定

8、裕量減小，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 上述兩個問題的影響較小，通常可以忽略。上述兩個問題的影響較小，通常可以忽略。但對高性能控制場合，需要在系統(tǒng)設計中予以解但對高性能控制場合，需要在系統(tǒng)設計中予以解決。決。好學力行河南理工大學明德任責5.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 5.2.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成主電路主電路微機控制電路微機控制電路-U*nUnUiU*iUc好學力行河南理工大學明德任責5.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)好學力行河南理工大學明德任責 在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能在數(shù)字裝置中，由計

9、算機軟硬件實現(xiàn)其功能 ，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：雙閉環(huán)系統(tǒng)結構，采用微機控制；雙閉環(huán)系統(tǒng)結構，采用微機控制；全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉速給定和檢測電全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉速給定和檢測電流、電壓和轉速的計算；流、電壓和轉速的計算；采用數(shù)字采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉速、電流調節(jié)。算法，由軟件實現(xiàn)轉速、電流調節(jié)。5.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)好學力行河南理工大學明德任責5.2.1 微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的 硬件結構硬件結構 微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)硬件方微機數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)硬件

10、方面一般由以下部分組成：面一般由以下部分組成：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好學力行河南理工大學明德任責微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)硬件結構圖調速系統(tǒng)硬件結構圖 好學力行河南理工大學明德任責v主回路主回路微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路中的主電路中的UPE有兩種方式：有兩種方式：l直流直流PWM功率變換器（中小功率）功率變換器（中小功率）l晶閘管可控整流器（大功率）晶閘管可控整流器（大功率）v檢測回路檢測回路檢測回路包括電壓、電流、溫度和檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中：轉

11、速檢測，其中：l轉速檢測用數(shù)字測速。轉速檢測用數(shù)字測速。l電壓、電流和溫度檢測由電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉換變?yōu)閿?shù)轉換變?yōu)閿?shù)字量送入微機；字量送入微機；好學力行河南理工大學明德任責1. 轉速檢測轉速檢測（1）模擬測速模擬測速：一般采用測速發(fā)：一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的轉速的大小，還包含了轉速的方向。因此必須經(jīng)過適當?shù)淖兎较颉Ｒ虼吮仨毥?jīng)過適當?shù)淖儞Q，將雙極性的電壓信號轉換換，將雙極性的電壓信號轉換為單極性電壓信號，經(jīng)為單極性電壓信號，經(jīng)A/D 轉轉換后得到的數(shù)字量送入微機。換后得到的數(shù)字量送入微機。測速發(fā)電機測速發(fā)電機 轉

12、速檢測有轉速檢測有模擬模擬和和數(shù)字兩種檢測方法。數(shù)字兩種檢測方法。好學力行河南理工大學明德任責（2）對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用光電，往往需要采用光電旋轉編碼器旋轉編碼器測速，即測速，即數(shù)字測速數(shù)字測速。注意問題：隔離和抗干擾。注意問題：隔離和抗干擾。好學力行河南理工大學明德任責正反轉判斷正反轉判斷好學力行河南理工大學明德任責2. 電流和電壓檢測電流和電壓檢測 電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題電流、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)，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D轉換送入轉換送入微機，其處理方法與轉速相同。微機，其處理方法

13、與轉速相同。（1 1）采樣電阻）采樣電阻（2 2）電流互感器）電流互感器好學力行河南理工大學明德任責（2）霍爾效應電流變換器）霍爾效應電流變換器 UH = KH B IdKH為霍爾常數(shù)；為霍爾常數(shù)；B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；Id為被檢測的電流。為被檢測的電流。好學力行河南理工大學明德任責3.信號隔離信號隔離 考慮數(shù)字調速系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性，需要考慮數(shù)字調速系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性，需要將外界與單片機電路之間經(jīng)過隔離將外界與單片機電路之間經(jīng)過隔離。帶光電耦合器的開關量輸入電路帶光電耦合器的開關量輸入電路帶光耦的開關量輸出電路帶光耦的開關量輸出電路 開關量

14、輸入、輸出電路開關量輸入、輸出電路好學力行河南理工大學明德任責AD289AD289隔離放大器結構隔離放大器結構1 1） 變壓器隔離變壓器隔離 很小的輸入信號很小的輸入信號（毫伏級）經(jīng)放大器（毫伏級）經(jīng)放大器A1A1放大，經(jīng)調制器將放大，經(jīng)調制器將A1A1的的輸出電壓調制成交流信輸出電壓調制成交流信號。經(jīng)變壓器號。經(jīng)變壓器T2T2隔離，隔離，再經(jīng)解調器還原成再經(jīng)解調器還原成A1A1的的輸出電壓。經(jīng)輸出電壓。經(jīng)A2A2放大在放大在9/109/10兩端輸出被放大的兩端輸出被放大的電壓。電壓。AD289AD289隔離放大器結構隔離放大器結構調制器調制器15V好學力行河南理工大學明德任責2 2） 光耦隔

15、離光耦隔離TIL300.TIL300.特點，既可以線性放大輸入信號，又可以實現(xiàn)隔離。特點，既可以線性放大輸入信號，又可以實現(xiàn)隔離。線性光耦隔離線性光耦隔離好學力行河南理工大學明德任責3）A/D轉換后光耦隔離轉換后光耦隔離4）V/F變換后光耦隔離變換后光耦隔離多通道復用多通道復用A/D定時脈定時脈沖計數(shù)，沖計數(shù)，計算頻計算頻率及對率及對應的電應的電壓。壓。A/D轉換的特殊形式轉換的特殊形式好學力行河南理工大學明德任責4.數(shù)字控制器數(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，可選用可選用單片機單片機：如：如Intel 8X196MC系列，帶有系列，帶有 HSI和和HSO?；?數(shù) 字

16、信 號 處 理 器 （或 數(shù) 字 信 號 處 理 器 （ D S P ） 比 如 ：） 比 如 ：TMS320X2407/2812/28335等專為電機控制設計等專為電機控制設計的微處理器的微處理器. 本身都本身都帶有帶有A/D轉換器轉換器、通用、通用I/O和通信接口，和通信接口，還帶有數(shù)字測速和還帶有數(shù)字測速和PWM生成功能生成功能，可大大簡化，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。好學力行河南理工大學明德任責5.系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：模擬給定和數(shù)字給定；有兩種方式：模擬給定和數(shù)字給定；（1 1）模擬給定模擬給定：模擬給定是以模擬量表示的給：模擬給定是以模擬量表示的

17、給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經(jīng)定須經(jīng)A/DA/D轉換為數(shù)字量，再參與運算轉換為數(shù)字量，再參與運算. .好學力行河南理工大學明德任責5.系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定（2 2）數(shù)字給定數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤設定、鍵盤設定或采用通定值，可以是撥盤設定、鍵盤設定或采用通信方式由上位機直接發(fā)送。信方式由上位機直接發(fā)送。好學力行河南理工大學明德任責6.6.鍵盤與顯示電路鍵盤與顯示電路好學力行河南理工大學明德任責7.輸出變量輸出變量微機數(shù)字控制器的控制對象是功率微機數(shù)字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關

18、量變換器，可以用開關量經(jīng)放大環(huán)節(jié)直接控制經(jīng)放大環(huán)節(jié)直接控制功率器功率器件的通斷，也可以用件的通斷，也可以用經(jīng)經(jīng) D/A 轉換得到的模擬量去轉換得到的模擬量去控制控制功率變換器。功率變換器。晶閘管觸發(fā)及驅動電路晶閘管觸發(fā)及驅動電路好學力行河南理工大學明德任責8.故障綜合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、電流、溫度等信號進判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大斷，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)勢所在。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。好

19、學力行河南理工大學明德任責5.2.2 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的 軟件框圖軟件框圖 微機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制策略是靠軟件來微機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制策略是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理?？刂葡到y(tǒng)的軟件一般有三部分組成：理?？刂葡到y(tǒng)的軟件一般有三部分組成：主程序主程序初始化子程序初始化子程序中斷服務子程序等中斷服務子程序等。 好學力行河南理工大學明德任責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

20、其他外設通信等功顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能。能。 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定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等的設定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。好學力行河南理工大學明德任責圖圖 主程序框圖主程序框圖 初始化子程序框圖初始化子程序框圖 主程序沒有主程序沒有end 好學力行河南理工大學明德任責3中斷服務子程序中斷服務子程序 中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故障保護、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調節(jié)等調節(jié)等,中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請，中斷服務子程序由相應的

21、中斷源提出申請，CPU實時響應實時響應。轉速調節(jié)中斷服務子程序轉速調節(jié)中斷服務子程序電流調節(jié)中斷服務子程序電流調節(jié)中斷服務子程序故障保護中斷服務子程序故障保護中斷服務子程序 好學力行河南理工大學明德任責圖圖3-7 轉速調節(jié)中斷轉速調節(jié)中斷服務子程序框圖服務子程序框圖 圖圖3-8 電流調節(jié)中斷電流調節(jié)中斷服務子程序框圖服務子程序框圖 圖圖3-9 故障保護中斷故障保護中斷服務子程序框圖服務子程序框圖 好學力行河南理工大學明德任責 當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷（外部中斷），而轉速調節(jié)和電流調節(jié)保護中斷（外部中斷），而轉速調節(jié)和電流調節(jié)均采用定時

22、中斷（內部中斷）。均采用定時中斷（內部中斷）。 三種中斷服務中，三種中斷服務中，故障保護中斷優(yōu)先級別最故障保護中斷優(yōu)先級別最高，電流調節(jié)中斷次之，轉速調節(jié)中斷級別最低高，電流調節(jié)中斷次之，轉速調節(jié)中斷級別最低。 好學力行河南理工大學明德任責小小 結結 重點重點：1 1）數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點及特點；）數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點及特點； 2 2）數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的硬件組成：）數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的硬件組成： 主電路、檢測電路、驅動電路等。主電路、檢測電路、驅動電路等。 3 3）數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的軟件組成：）數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的軟件組成： 主程序、初始化子程序、中斷子程序等。主程序、初始化子程序、中

23、斷子程序等。 好學力行河南理工大學明德任責本節(jié)提要本節(jié)提要5.3 5.3 數(shù)字測速數(shù)字測速5.4 5.4 數(shù)字數(shù)字PIPI調節(jié)器調節(jié)器5.5 5.5 數(shù)字觸發(fā)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)實現(xiàn)5.6 5.6 數(shù)字直流調速系統(tǒng)舉例分析數(shù)字直流調速系統(tǒng)舉例分析第五章第五章 數(shù)字化直流調速系統(tǒng)數(shù)字化直流調速系統(tǒng)好學力行河南理工大學明德任責5.3 數(shù)字測速數(shù)字測速5.3.1 數(shù)字測速的指標數(shù)字測速的指標（1）分辨率）分辨率： 設被測轉速由設被測轉速由 n1 變?yōu)樽優(yōu)?n2 時，引起測量計數(shù)值時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q = n1 - n2 （轉（轉/分

24、）分） Q 越小，測速裝置的分辨能力越強，越小，測速裝置的分辨能力越強， 系統(tǒng)控系統(tǒng)控制精度也越高。制精度也越高。（2）檢測時間）檢測時間： 指兩次轉速采樣之間的時間間隔。指兩次轉速采樣之間的時間間隔。 檢測時間檢測時間越短，系統(tǒng)響應越快，對改善系統(tǒng)性能越有利越短，系統(tǒng)響應越快，對改善系統(tǒng)性能越有利。好學力行河南理工大學明德任責（3）測速精度（也叫測量誤差）測速精度（也叫測量誤差） 測速精度是指測速裝置對實際轉速測測速精度是指測速裝置對實際轉速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即對誤差來表示，即測量誤差測量誤差 越小，越小，測速精度越高，系

25、統(tǒng)控制測速精度越高，系統(tǒng)控制精度越高。精度越高。 的大小取決于測速元件的的大小取決于測速元件的制造精度制造精度和和測速測速方法方法。%100nn好學力行河南理工大學明德任責 5.3.2 數(shù)字測速方法數(shù)字測速方法1. 旋轉編碼器旋轉編碼器 在數(shù)字測速在數(shù)字測速中，常用增中，常用增量式量式光電式光電式旋轉編碼器旋轉編碼器作為作為轉速的轉速的檢測檢測元件元件。旋轉編碼器旋轉編碼器測速原理如測速原理如下圖所示。下圖所示。光柵光柵1024*1/2/4;倍頻技術倍頻技術兩套發(fā)光和接收裝置錯開光柵節(jié)距的兩套發(fā)光和接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4好學力行河南理工大學明德任責2. 測速原理測速原理 由光電式由光電式

26、旋轉編碼器旋轉編碼器產(chǎn)生與被測轉速成正比產(chǎn)生與被測轉速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數(shù)字形式的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數(shù)字形式表示的轉速值。表示的轉速值。 脈沖數(shù)字（脈沖數(shù)字（P/D）轉換方法：）轉換方法： （1）M法法定時數(shù)脈沖法，又稱頻率法；定時數(shù)脈沖法，又稱頻率法； （2）T 法法相鄰脈沖計時法，又稱周期法；相鄰脈沖計時法，又稱周期法； （3）M/T法法脈沖時間混合計數(shù)法。脈沖時間混合計數(shù)法。好學力行河南理工大學明德任責3. M法測速法測速定時數(shù)脈沖定時數(shù)脈沖 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)出發(fā)出的脈沖信號數(shù)值；的脈沖信號數(shù)值； 定時器每隔時間定時

27、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響應中斷后，讀響應中斷后，讀出計數(shù)值出計數(shù)值 M1，并將計數(shù)，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)；器清零重新計數(shù)； 根據(jù)計數(shù)值根據(jù)計數(shù)值 M 計算出計算出對應的轉速值對應的轉速值 n。測速原理與波形圖測速原理與波形圖好學力行河南理工大學明德任責c160ZTMn Z為電機每轉輸出的脈沖個數(shù)（倍頻數(shù)為電機每轉輸出的脈沖個數(shù)（倍頻數(shù) 編碼器光柵數(shù)）編碼器光柵數(shù)）vM法測速的分辨率法測速的分辨率 cc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ11ccmax11c6060(1) 160MMZTZTMMZTvM法測速的誤差率：最大可能性是一個脈沖誤差

28、。法測速的誤差率：最大可能性是一個脈沖誤差。 式中，式中，Z 和和 Tc 均為常值，因此轉速均為常值，因此轉速 n 正比于脈沖個數(shù)。正比于脈沖個數(shù)。好學力行河南理工大學明德任責 高速時高速時M1大，量化誤差較小大，量化誤差較小；隨著轉速；隨著轉速的降低的降低M1減小，誤差增大；轉速過低時減小，誤差增大；轉速過低時M1將將小于小于1，測速裝置便不能正常工作。，測速裝置便不能正常工作。 所以，所以，M法測速只適用于高速段法測速只適用于高速段。11ccmax11c6060(1) 160MMZTZTMMZTvM法測速的誤差率法測速的誤差率 c160ZTMn 好學力行河南理工大學明德任責4. T法測速法

29、測速測相鄰兩個脈沖之間的間隔時間；測相鄰兩個脈沖之間的間隔時間；工作原理：工作原理：v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 f0；vPLG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)發(fā)出一次中斷請求；出一次中斷請求；vCPU 響應響應 INTn中斷中斷，從計數(shù)器中讀出計，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值數(shù)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好學力行河南理工大學明德任責v法測速誤差率法測速誤差率 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，測測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2多，所以誤差率小多，所以誤

30、差率小，測速精度高，故測速精度高，故T法測速適用于低速段法測速適用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202020maxMZMfZMfMZf2060ZMfn ) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQ分辨率分辨率好學力行河南理工大學明德任責lM法測速在高速段分辨率強；法測速在高速段分辨率強；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合，因此，可以將兩種測速方法相結合，取長補短。取長補短。既檢測既檢測 Tc 時間內旋轉編碼器時間內旋轉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

31、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，用來計算轉速，稱作速，稱作M/T法測速。法測速。 n 兩種測速方法的比較兩種測速方法的比較好學力行河南理工大學明德任責5. M/T法測速法測速r/min 60 60201t1ZMfMZTMnTt為準確的測速時間，由為準確的測速時間，由高頻脈沖數(shù)算出。高頻脈沖數(shù)算出。 同時測編碼脈沖數(shù)和高頻同時測編碼脈沖數(shù)和高頻脈沖數(shù)。脈沖數(shù)。 特點：低速時，特點：低速時，M/T法趨向于法趨向于T法，如法，如M1=1；高速時，趨向；高速時，趨向于于M法。法。 因此，因此，M/T法兼有法兼有M法和法和T法的優(yōu)點，在高速和低法的優(yōu)點，在高速和低速時都具有較強的分辨

32、能力和較高的測速精度，是目前廣泛速時都具有較強的分辨能力和較高的測速精度，是目前廣泛應用的一種測速方法。應用的一種測速方法。 定時采樣，遇脈沖前沿中斷讀數(shù)定時采樣，遇脈沖前沿中斷讀數(shù)好學力行河南理工大學明德任責5.4 數(shù)字數(shù)字PI調節(jié)器調節(jié)器模擬模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化調節(jié)器的數(shù)字化改進的數(shù)字改進的數(shù)字PI算法算法智能型智能型PI調節(jié)器調節(jié)器 好學力行河南理工大學明德任責5.4.1 模擬模擬PI調節(jié)器的數(shù)字化調節(jié)器的數(shù)字化 PI調節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最調節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，常用的一種控制器。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系

33、統(tǒng)當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。擬調節(jié)器的數(shù)字化。 好學力行河南理工大學明德任責PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)調節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調節(jié)器調節(jié)器時域表達式時域表達式其中其中 Kp= Kpi 為比例系數(shù)為比例系數(shù) ， KI =1/ 為積分系數(shù)為積分系數(shù) ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud )()(d )(1)()(IPpi將上式離散化成差分方程，其第將上式離散化成差分方程，其第 k 拍輸出為拍輸出為) 1

34、()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki式中式中 Tsam為為采樣周期采樣周期 好學力行河南理工大學明德任責 PI算法有位置式和增量式兩種算法：算法有位置式和增量式兩種算法：v位置式算法位置式算法即為式即為式(3-15)表述的差分方表述的差分方程，算法特點是：程，算法特點是：比例部分只與當前的偏比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。差的累積。 位置式位置式PI調節(jié)器的結構清晰，調節(jié)器的結構清晰，P和和I兩兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了，但需部分作用分明，參數(shù)調整

35、簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。要存儲的數(shù)據(jù)較多。 ) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki好學力行河南理工大學明德任責v增量式增量式PI調節(jié)器算法調節(jié)器算法PI調節(jié)器的輸出可由下式求得調節(jié)器的輸出可由下式求得 )() 1()() 1()()(samIPkeTKkekeKkukuku)() 1()(kukuku增量式算法只需當前和上一拍的偏差即可算出偏增量式算法只需當前和上一拍的偏差即可算出偏差量，加上上一拍的輸出值，就可得到本拍的輸差量，加上上一拍的輸出值，就可得到本拍的輸出值。需要存儲的數(shù)據(jù)較少。出值。需要存儲的數(shù)據(jù)

36、較少。限幅值設置：限幅值設置：在程序中進行設置即可。在程序中進行設置即可。好學力行河南理工大學明德任責5.4.2 改進的數(shù)字改進的數(shù)字PI算法算法 PI調節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標調節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標。在高性能的調速系統(tǒng)中，有時僅僅靠調整。在高性能的調速系統(tǒng)中，有時僅僅靠調整PI參參數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標。采用模數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標。采用模擬擬PI調節(jié)器時，由于受到物理條件的限制，只好調節(jié)器時，由于受到物理條件的限制，只好在不同指標中求其折衷。在不同指標中求其折衷。 數(shù)字控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制系統(tǒng)中，PI參數(shù)的產(chǎn)生及設置可以參數(shù)的產(chǎn)生及設置可以更

37、為靈活更為靈活 ，得到改進的數(shù)字，得到改進的數(shù)字PI算法，提高系統(tǒng)算法，提高系統(tǒng)的控制性能。的控制性能。 如：如：積分分離算法；分段積分分離算法；分段PI算法；智能型算法；智能型PI調節(jié)器調節(jié)器好學力行河南理工大學明德任責1. 積分分離算法積分分離算法v基本思想：基本思想： 在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，把 P 和和 I 分開。當分開。當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投差；當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免

38、較大的退飽和超調。飽和超調。積分分離算法表達式為積分分離算法表達式為kiieTKCkeKku1samIIp)()()(其中其中 )(, 0)(, 1IieieC為一常值。為一常值。 好學力行河南理工大學明德任責 積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調，常積分分離法能有效抑制振蕩，或減小超調，常用于轉速調節(jié)器。用于轉速調節(jié)器。 2. 分段分段PI算法算法v基本思想：基本思想： 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，在轉速偏差較大時，希望雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，在轉速偏差較大時，希望ACR選用較大的選用較大的PI參數(shù)，使實際電流能迅速跟蹤給參數(shù)，使實際電流能迅速跟蹤給定值；轉速偏差較小時，過大的定值；轉速偏差較小時，過大的P

39、I參數(shù)又會導致輸參數(shù)又會導致輸出電流的振蕩，增加轉速調節(jié)器的負擔。因此，可出電流的振蕩，增加轉速調節(jié)器的負擔。因此，可以根據(jù)轉速和偏差大小，設置多套以根據(jù)轉速和偏差大小，設置多套PI參數(shù)進行切換參數(shù)進行切換。好學力行河南理工大學明德任責3. 智能型智能型PI調節(jié)器調節(jié)器 利用計算機豐富的邏輯判斷和數(shù)值運算功能，利用計算機豐富的邏輯判斷和數(shù)值運算功能，數(shù)字控制器可以突破模擬控制器只能完成線性數(shù)字控制器可以突破模擬控制器只能完成線性控制規(guī)律的局限，完成各類控制規(guī)律的局限，完成各類非線性控制非線性控制、自適自適應控制應控制乃至乃至智能控制智能控制等等等等。 主要的智能控制方法：主要的智能控制方法：

40、專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 模糊控制模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制智能控制特點：智能控制特點： 控制算法不依賴或不完全依賴于對象?？刂扑惴ú灰蕾嚮虿煌耆蕾囉趯ο竽Ｐ?，因而系統(tǒng)具有較強的魯棒性和對環(huán)境的適型，因而系統(tǒng)具有較強的魯棒性和對環(huán)境的適應性。應性。 好學力行河南理工大學明德任責5.5 數(shù)字觸發(fā)器數(shù)字觸發(fā)器 數(shù)字觸發(fā)器的移相控制是由同步脈沖信號產(chǎn)數(shù)字觸發(fā)器的移相控制是由同步脈沖信號產(chǎn)生中斷后開始工作的定時器延時控制來實現(xiàn)的，生中斷后開始工作的定時器延時控制來實現(xiàn)的，即把欲改變的控制角即把欲改變的控制角的大小轉變成延時時間常的大小轉變成延時時間常數(shù)的大小數(shù)的大小 。1）同步電路）同步電路 確定控

41、制角確定控制角=0的位置，即計算的位置，即計算的起點位的起點位置。置。好學力行河南理工大學明德任責濾波移相、限幅、整形、隔離、邏輯非門濾波移相、限幅、整形、隔離、邏輯非門倍頻倍頻好學力行河南理工大學明德任責在一個工頻周期中在一個工頻周期中KA、KB、KC有有6個個不同的狀態(tài)值，可不同的狀態(tài)值，可用來表明三相電壓用來表明三相電壓的狀態(tài)，進而確定的狀態(tài)，進而確定應給哪個管子產(chǎn)生應給哪個管子產(chǎn)生脈沖；脈沖；6個管子的個管子的同步脈沖位置分別同步脈沖位置分別對應于的三相電源對應于的三相電源的的+A相、相、-C相、相、+B相、相、-A相、相、+C相、相、-B相。相。好學力行河南理工大學明德任責2）移相控制）移相控制 數(shù)字觸發(fā)器的移相控制是通過同步中斷脈沖開始數(shù)字觸發(fā)器的移相控制是