運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、內(nèi)容提要內(nèi)容提要v用離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器用離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 模擬模擬/數(shù)字控制系統(tǒng)的對(duì)比數(shù)字控制系統(tǒng)的對(duì)比v模擬控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)： 物理概念清晰，控制流向直觀，但線路復(fù)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、溫度雜、通用性差、控制效果受器件性能、溫度等因素影響等因素影響v數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)： 穩(wěn)定性好，可靠性高，提高控制性能、增穩(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)微型計(jì)算機(jī)

2、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。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，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)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)是的主要特點(diǎn)是和和：v離散化：離散化： 為了把模擬的連續(xù)為了把模擬的連續(xù)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，必信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)它們期的采樣時(shí)刻對(duì)

3、它們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)，一連串的脈沖信號(hào)，即即離散的模擬信號(hào)，離散的模擬信號(hào)，這就是離散化這就是離散化。Otf(t)原信號(hào)Onf(nT)1 2 3 4采樣v數(shù)字化：數(shù)字化： 采樣后得到的離散采樣后得到的離散信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，還須經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)，還須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即量化，即用一組數(shù)碼用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅近離散模擬信號(hào)的幅值值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化信號(hào)，這就是數(shù)字化。 數(shù)字化數(shù)字化OnN(nT)n 離散化和數(shù)字化的負(fù)面效應(yīng)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

4、時(shí)間上和量值上離散化和數(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)：的不連續(xù)性，從而引起下述的負(fù)面效應(yīng)： （1）A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差轉(zhuǎn)換的量化誤差：模擬信號(hào)可以有無(wú)窮：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，多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，用數(shù)碼來(lái)逼近模擬用數(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平滑性。 （2） D/A轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)轉(zhuǎn)換的滯后效應(yīng)：經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處：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和保持和保持器將它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放

5、大后驅(qū)動(dòng)被控器將它轉(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，對(duì)象。但是，保持器會(huì)提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母保持器會(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)定性的穩(wěn)定性。 隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，微處理器的隨著微電子技術(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

6、以解決。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)微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的硬件和軟件的硬件和軟件 3.2.0 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)?；旌峡刂葡到y(tǒng)數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路數(shù)字電路- 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點(diǎn)：數(shù)模混合控制系統(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)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；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；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)

7、字電路控制系統(tǒng)數(shù)字電路數(shù)字電路主電路主電路-U*nUnU*iUiUc 數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點(diǎn)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)字電路組成。3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主電路主電路微機(jī)控制電路微機(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)其功在數(shù)字裝置中，由計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)其功能能 ，即為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)：，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；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)

8、速給定和檢測(cè)；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)字采用數(shù)字PI算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)。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)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)如圖結(jié)構(gòu)如圖3-4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(cè)電路檢測(cè)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圖3-4 微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流微機(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)圖調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 v主回路主回路微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速微機(jī)數(shù)字控

9、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v檢測(cè)回路檢測(cè)回路檢測(cè)回路包括電壓、電流、檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中：l電壓、電流和溫度檢測(cè)由電壓、電流和溫度檢測(cè)由 A/D 轉(zhuǎn)換通轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；l轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。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) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)有模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法：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)速模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小

10、，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(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，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)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)。轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量送入微機(jī)。但偏移碼不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。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)，往往對(duì)于要求精度高、

11、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，即需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速數(shù)字測(cè)速。 測(cè)速基本方式測(cè)速基本方式2. 電流和電壓檢測(cè)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)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。轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，其處理方法與轉(zhuǎn)速相同。 電流檢測(cè)方法電流檢測(cè)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

12、變換器 UH = KH B IcKH為霍爾常數(shù)；為霍爾常數(shù)；B為與被測(cè)電流為與被測(cè)電流成正比的磁通密度；成正比的磁通密度；Ic為控制電流。為控制電流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi 信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUiv故障綜合故障綜合利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯利用微機(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)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)所步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。在。

13、v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，可選用可選用單片微機(jī)單片微機(jī)或或數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）比如：比如：Intel 8X196MC系列或系列或TMS320X240系列等專(zhuān)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微處理器，本身系列等專(zhuān)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)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，還和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和速和PWM生成功能，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制生成功能，可大大簡(jiǎn)化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)的硬件電路。 v系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：系統(tǒng)給定有兩種方式：

14、（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(yùn)算；運(yùn)算；（2）數(shù)字給定：數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤(pán)設(shè)定、鍵盤(pán)設(shè)定的給定值，可以是撥盤(pán)設(shè)定、鍵盤(pán)設(shè)定或采用通信方式由上位機(jī)直接發(fā)送或采用通信方式由上位機(jī)直接發(fā)送見(jiàn)下見(jiàn)下圖。圖。a) 模擬給定模擬給定 b) 數(shù)字給定數(shù)字給定 鍵盤(pán)與顯示電路鍵盤(pán)與顯示電路LED顯示器BCD/7段碼鍵盤(pán)矩陣8選1譯碼器8選1譯碼器A0-3S0-3R0-7D0

15、-7CLKINT8279CPU7388v輸出變量輸出變量微機(jī)數(shù)字控制器的控制對(duì)象是微機(jī)數(shù)字控制器的控制對(duì)象是功率變換器，可以用開(kāi)關(guān)量直接控制功率器功率變換器，可以用開(kāi)關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)件的通斷，也可以用經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換得到的模擬轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。量去控制功率變換器。 隨著電機(jī)控制專(zhuān)用單片微機(jī)的產(chǎn)生，前者隨著電機(jī)控制專(zhuān)用單片微機(jī)的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流，例如逐漸成為主流，例如Intel公司公司8X196MC系列系列和和TI公司公司TMS320X240系列單片微機(jī)可直接系列單片微機(jī)可直接生成生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)控制功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)控制功率器

16、件，從而控制功率變換器的輸出電壓。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)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：的軟件有：。 1. 主程序主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，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(pán)處理、刷新完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其他外設(shè)通信等功顯示、與上位計(jì)算機(jī)

17、和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖見(jiàn)圖能。主程序框圖見(jiàn)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(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。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(jiàn)圖初始化子程序框圖見(jiàn)圖3-6。圖圖3-5 主程序框圖主程序框圖 圖圖3-6 初始化子程序框圖初始化子程序框圖 3中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序 中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，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)、如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字生成、狀態(tài)檢測(cè)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(qǐng)，提出申請(qǐng)

18、，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)實(shí)時(shí)響應(yīng)。圖圖3-7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖服務(wù)子程序框圖 圖圖3-8 電流調(diào)節(jié)中斷電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖服務(wù)子程序框圖 圖圖3-9 故障保護(hù)中斷故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖服務(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)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。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)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。斷級(jí)別最低。 3.3 數(shù)字測(cè)速與濾波數(shù)字測(cè)速與濾波v數(shù)

19、字測(cè)速指標(biāo)數(shù)字測(cè)速指標(biāo)v數(shù)字測(cè)速方法數(shù)字測(cè)速方法vM/T 法測(cè)速電路法測(cè)速電路v數(shù)字濾波數(shù)字濾波 3.3.1 數(shù)字測(cè)速指標(biāo)數(shù)字測(cè)速指標(biāo)（1）： 設(shè)被測(cè)轉(zhuǎn)速由設(shè)被測(cè)轉(zhuǎn)速由 n1 變?yōu)樽優(yōu)?n2 時(shí)，引起測(cè)量計(jì)數(shù)值時(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)（轉(zhuǎn)/分）分） Q 越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)；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。越小，系統(tǒng)控制精度越高。（2） 測(cè)速精度是指測(cè)速裝置對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量測(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，常用的精確程度，常用測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)測(cè)量值

20、與實(shí)際值的相對(duì)誤差誤差來(lái)表示，即來(lái)表示，即測(cè)量誤差測(cè)量誤差 越小，越小，測(cè)速精度越高，系統(tǒng)控制測(cè)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(cè)速元件的制造精度和測(cè)速的大小取決于測(cè)速元件的制造精度和測(cè)速方法。方法。%100nn（3-7） （3）： 檢測(cè)時(shí)間是指檢測(cè)時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時(shí)間間隔兩次轉(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)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。性能越有利。 3.3.2 數(shù)字測(cè)速方法數(shù)字測(cè)速方法1. 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 在數(shù)字測(cè)速中，常用在數(shù)字測(cè)

21、速中，常用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器光電式旋轉(zhuǎn)編碼器作為作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)檢測(cè)元件元件。 旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速原理如下圖所示旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速原理如下圖所示光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換增量式旋轉(zhuǎn)編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器帶帶Z1軌道的園刻度軌道的園刻度旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)原理旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)原理旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)信號(hào)的處理旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)信號(hào)的處理2. 測(cè)速原理測(cè)速原理 由光電式由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成產(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。以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。 脈沖數(shù)字（脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法：）轉(zhuǎn)換方法： 。3. 工作原理

22、工作原理：由計(jì)數(shù)器記錄由計(jì)數(shù)器記錄PLG發(fā)出的發(fā)出的脈沖信號(hào)；脈沖信號(hào)； 定時(shí)器每隔時(shí)間定時(shí)器每隔時(shí)間Tc向向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求發(fā)出中斷請(qǐng)求INTt； CPU響應(yīng)中斷后，讀出響應(yīng)中斷后，讀出計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)值 M1，并將計(jì)數(shù)器清，并將計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù)；零重新計(jì)數(shù)； 根據(jù)計(jì)數(shù)值根據(jù)計(jì)數(shù)值 M 計(jì)算出對(duì)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值應(yīng)的轉(zhuǎn)速值 n。測(cè)速原理與波形圖測(cè)速原理與波形圖v計(jì)算公式計(jì)算公式式中式中 Z為為PLG每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)；每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)；vM法測(cè)速的法測(cè)速的分辨率分辨率 c160ZTMn cc1c16060) 1(60ZTZTMZTMQ（3-1）vM法法測(cè)速測(cè)速誤差率誤差率 在上式中，在上式中

23、，Z 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(gè)數(shù)。高速時(shí)比于脈沖個(gè)數(shù)。高速時(shí)Z大，量化誤差較小，隨大，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。測(cè)速裝置便不能正常工作。 所以，所以，M法測(cè)速只適用于高速段法測(cè)速只適用于高速段。%1001%10060 )1(60 601c1c1c1maxMZTMZTMZTM4. 工作原理工作原理：v計(jì)數(shù)器記錄來(lái)自計(jì)數(shù)器記錄來(lái)自CPU的高頻脈沖的高頻脈沖 f0；vPLG每輸出一個(gè)脈沖，每輸出一個(gè)脈沖，中斷電路向中斷電路向CPU發(fā)出發(fā)出一次中斷請(qǐng)求；一次中斷請(qǐng)求

24、；vCPU 響應(yīng)響應(yīng) INTn中斷，中斷，從計(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)從計(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)值值 M2，并立即清零，并立即清零，重新計(jì)數(shù)。重新計(jì)數(shù)。電路與波形電路與波形v計(jì)算公式計(jì)算公式vT法測(cè)速的法測(cè)速的分辨率分辨率 2060ZMfn ) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQ（3-2）v法測(cè)速法測(cè)速誤差率誤差率 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)高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2多，所以誤差率小，測(cè)速精多，所以誤差率小，測(cè)速精度高，故度高，故T法測(cè)速適用于低速段法測(cè)速適用于低速段。 %10011%10060 60 ) 1(602202

25、020maxMZMfZMfMZf； 因此，可以將兩種測(cè)速方法相結(jié)合，因此，可以將兩種測(cè)速方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。取長(zhǎng)補(bǔ)短。既檢測(cè)既檢測(cè) Tc 時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱(chēng)作速，稱(chēng)作M/T法測(cè)速。法測(cè)速。 n 兩種測(cè)速方法的比較兩種測(cè)速方法的比較5. v電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)：v工作原理工作原理：T0定時(shí)器控制采樣定時(shí)器控制采樣時(shí)間；時(shí)間；M1計(jì)數(shù)器記錄計(jì)數(shù)器記錄PLG脈沖；脈沖；M2計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘脈沖。脈沖。v波形圖波形圖： M/T法數(shù)字法數(shù)字

26、測(cè)速軟件測(cè)速軟件 v計(jì)算公式計(jì)算公式v分辨率分辨率v檢測(cè)精度檢測(cè)精度：低速時(shí)低速時(shí)M/T法趨向于法趨向于T法，在高速段法，在高速段M/T法相當(dāng)于法相當(dāng)于T法的法的 M1次平均，而在這次平均，而在這 M1 次中次中最多產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖的誤差。最多產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖的誤差。 因此，因此，M/T法測(cè)速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具法測(cè)速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有較高的測(cè)速精度。有較高的測(cè)速精度。 ) 1(602210MZMMfQr/min 60 60201t1ZMfMZTMn（3-3）小小 結(jié)結(jié) 由于由于M/T法的計(jì)數(shù)值法的計(jì)數(shù)值M1和和M2都隨著轉(zhuǎn)都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，速的變化而變化，高速時(shí)，相

27、當(dāng)于高速時(shí)，相當(dāng)于M法法測(cè)速，最低速時(shí)，測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入，自動(dòng)進(jìn)入T法法測(cè)速。測(cè)速。 因此因此M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。測(cè)速方法。v平均值濾波平均值濾波v加權(quán)平均值濾波加權(quán)平均值濾波v中值濾波中值濾波v中值平均濾波中值平均濾波NiiXNY11NiiXNY11NiiXNY111.0211NNiiiaaaXaY2321XYXXX?1221NiiXNY3.4 數(shù)字?jǐn)?shù)字PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 3.4.1 模擬模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化調(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)中最調(diào)節(jié)器

28、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)常用的一種控制器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高采樣頻率足夠高時(shí)，可以時(shí)，可以先按模擬先按模擬系統(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，然后再離散化化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就，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。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)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)vPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式時(shí)域表達(dá)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)()()(pipi（3-13）tteKteKtteteKtu

29、d )()(d )(1)()(IPpi（3-14） PI調(diào)節(jié)器的差分方程調(diào)節(jié)器的差分方程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 拍輸出為拍輸出為式中式中 Tsam為為采樣周期采樣周期 ) 1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki（3-15） 數(shù)字?jǐn)?shù)字PI調(diào)節(jié)器算法調(diào)節(jié)器算法 有位置式和增量式兩種算法：有位置式和增量式兩種算法：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(diǎn)是：程，算法特點(diǎn)是：比例部分只與當(dāng)前的偏比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差有關(guān)，而積分部分則是系

30、統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。差的累積。 位置式位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P和和I兩部?jī)刹糠肿饔梅置?，參?shù)調(diào)整簡(jiǎn)單明了，但需要分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單明了，但需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多。 PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得 )() 1()() 1()()(samIPkeTKkekeKkukuku（3-17）)() 1()(kukuku（3-18） 限幅值設(shè)置限幅值設(shè)置 與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，與模擬調(diào)節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對(duì)需要對(duì) u 限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限限幅，這里，只須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值幅值u m，當(dāng)，當(dāng) u(k) u m 時(shí)，便以限幅值時(shí)，便以限幅值 u m作為輸出。作為輸出。 不考慮限幅時(shí)，位置式和增量式兩種算法不考慮限幅時(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。完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。只需只需輸出限幅輸出限幅，而，而必須同時(shí)設(shè)必須同時(shí)設(shè)積分限幅積分限幅和和輸出限幅輸出限幅，缺一不，缺一不可?？?。 算法流程算法流程開(kāi)始設(shè)置PID參數(shù)，計(jì)算控制參數(shù)計(jì)算偏差值計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的控制量輸入采樣值輸出控制值保存偏差值返回3.4.2 改進(jìn)的數(shù)字改進(jìn)的數(shù)字PI算法算法 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)