1.微型计算机数字控制的主要特点 教学内容 2.微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 掌握微机数字控制系统的特点,熟悉数字量化及采样 教学目的 频率的设计方法、状态检测的基本方法 了解微机数字控制系统的软件和硬件的结构。 微机数字控制系统的特点,数字量化及采样频率的选 教学重点 择 微机数字控制系统的软件和硬件的结构 2学时 建议学时 PPT演示软件 教学教具与方法 3.1微型计算机数字控制的主要特点 模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点,但控制规律体现 在硬件电路和所用的器件上,因而线路复杂、通用性差,控制效果受到器件的 性能、温度等因素的影响 微机数字控制系统硬件电路的标准化程度高,制作成本低,且不受器件温 度漂移的影响;其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算,更改起来灵活方便。 微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化 1)在具有一定周期的采样时刻对模拟的连续信号进行实时采样,形成 连串的脉冲信号,即离散的模拟信号,这就是离散化。 2)经过数字量化,即用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的 教案 幅值,将它转换成数字信号,这就是数字化 离散化和数字化的结负面效应:时间上和量值上的不连续性。 1)产生量化误差,影响控制精度和平滑性 2)提高控制系统传递函数分母的阶次,使系统的稳定裕量减小,甚至会 破坏系统的稳定性 311数字量化 量化的原则:在保证不溢出的前提下,精度越高越好。可用存储系数K来 显示量化的精度 例题3-1。 312采样频率的选择 香农( Shannon)采样定理。 实际信号的最高频率很难确定,对非周期性信号(系统的过渡过程)来说
教学内容 1．微型计算机数字控制的主要特点 2．微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 教学目的 掌握微机数字控制系统的特点，熟悉数字量化及采样 频率的设计方法、状态检测的基本方法。 了解微机数字控制系统的软件和硬件的结构。 教学重点 微机数字控制系统的特点，数字量化及采样频率的选 择。 微机数字控制系统的软件和硬件的结构 建议学时 2 学时 教学教具与方法 PPT 演示软件 教 案 3. 1 微型计算机数字控制的主要特点 模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，但控制规律体现 在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的 性能、温度等因素的影响。 微机数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温 度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，更改起来灵活方便。 微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化： 1）在具有一定周期的采样时刻对模拟的连续信号进行实时采样，形成一 连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。 2）经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的 幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。 离散化和数字化的结负面效应：时间上和量值上的不连续性。 1）产生量化误差，影响控制精度和平滑性。 2）提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会 破坏系统的稳定性。 3.1.1 数字量化 量化的原则：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。可用存储系数 K 来 显示量化的精度 例题 3-1。 3.1.2 采样频率的选择 香农（Shannon）采样定理。 实际信号的最高频率很难确定，对非周期性信号（系统的过渡过程）来说
其频谱为0至∞的连续函数,最高频率/m理论上为无穷大。因此,难以直接 用采样定理来确定系统的采样频率。在一般情况下,可以令采样周期 m5(4-10)m,m为制对象的最小时间常数 313微机数字控制系统的输入与输出变量 可以是模拟量,也可以是数字量 1.系统给定 系统给定有两种方式:模拟给定和数字给定。 2.状态检测 系统运行中的实际状态量,例如转速、电压和电流等,在闭环控制时,应 该反馈给微机,因此必须首先检测出来。 转速检测:模拟和数字两种检测方法,包含了转速的大小和方向 电流和电压检测:电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外,还是 各种保护和故障诊断信息的来源。 极性转换:由于多数A/D转换电路只是单极性的,必须将双极性的电压信 号转换为单极性电压信号,经AD转换后得到以偏移码表示的数字量送入微 机。但偏移码不能直接参与运算,必须用软件将偏移码变换为原码或补码,然 后进行闭环控制。 3.输出变量 用开关量直接控制功率器件的通断,也可以用经DA转换得到的模拟量去 控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生,前者逐渐成为主流 3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软 件 微机数字控制的双闭环直流调速系统结构图,图3-3 ASR ACR UPE K 微机
其频谱为 0 至∞的连续函数，最高频率 max f 理论上为无穷大。因此，难以直接 用采样定理来确定系统的采样频率。在一般情况下，可以令采样周期 min (4 ~ 10) 1 Tsam T ，Tmin 为控制对象的最小时间常数。 3.1.3 微机数字控制系统的输入与输出变量 可以是模拟量，也可以是数字量。 1．系统给定 系统给定有两种方式：模拟给定和数字给定。 2. 状态检测 系统运行中的实际状态量，例如转速、电压和电流等，在闭环控制时，应 该反馈给微机，因此必须首先检测出来。 转速检测：模拟和数字两种检测方法，包含了转速的大小和方向。 电流和电压检测：电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是 各种保护和故障诊断信息的来源。 极性转换：由于多数 A/D 转换电路只是单极性的，必须将双极性的电压信 号转换为单极性电压信号，经 A/D 转换后得到以偏移码表示的数字量送入微 机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然 后进行闭环控制。 3. 输出变量 用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经 D/A 转换得到的模拟量去 控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流。 3. 2 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软 件 微机数字控制的双闭环直流调速系统结构图，图 3-3。 ACR UPE FBS ASR M K K - - * ndig ndig ddig I * ddig I 微机 - + ~
3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构,图3-4。 电压检测电流检 温度檢 电流检测 动电路 转速检测 1.主回路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源,再经过直流 PWM变换器得到可调的直流电压,给直流电动机供电 2.检测回路 检测回路包括电压、电流、温度和转速检测,其中电压、电流和温度检测 由AD转换通道变为数字量送入微机,转速检测用数字测速。 3.故障综合 对电压、电流、温度等信号进行分析比较,若发生故障立即通知微机,以 便及时处理,避免故障进一步扩大 4.数字控制器 专为电机控制设计的 Intel8X196MC系列或TMS320X240系列单片微机, 本身都带有AD转换器、通用IO和通信接口,还带有一般微机并不具备的故 障保护、数字测速和PWM生成功能 322微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中断 服务子程序等 1.主程序:主程序完成实时性要求不高的功能,完成系统初始化后,实 现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其它外设通信等功能。 主程序框图,图3-5
3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构，图 3-4。 1．主回路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。 2．检测回路 检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中电压、电流和温度检测 由 A/D 转换通道变为数字量送入微机，转速检测用数字测速。 3．故障综合 对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以 便及时处理，避免故障进一步扩大。 4．数字控制器 专为电机控制设计的 Intel 8X196MC 系列或 TMS320X240 系列单片微机， 本身都带有 A/D 转换器、通用 I/O 和通信接口，还带有一般微机并不具备的故 障保护、数字测速和 PWM 生成功能。 3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中断 服务子程序等。 1．主程序：主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实 现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其它外设通信等功能。 主程序框图，图 3-5
开始 系统初始化 键按下吗 键处理 刷新显示 数据通信 2.初始化子程序:完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量 的初始化等 初始化子程序框图,图3-6。 系统初始化 设定定时器、PWM、 数字测速工作方式 设定I/O、通信接口及 显示、键盘工作方式 参数及变量 初始化 返回 3.中断服务子程序:完成实时性强的功能,如故障保护、PWM生成、状态 检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请,CPU实时响 应。三种中断服务中,故障保护中断优先级别最高,电流调节中断次之,转速 调节中断级别最低
2．初始化子程序：完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量 的初始化等。 初始化子程序框图，图 3-6。 3．中断服务子程序：完成实时性强的功能，如故障保护、PWM 生成、状态 检测和数字 PI 调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU 实时响 应。三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速 调节中断级别最低。 开始 系统初始化 键处理 刷新显示 数据通信 有键按下吗？ Y N 系统初始化 设定定时器、PWM、 数字测速工作方式 参数及变量 初始化 设定I/O、通信接口及 显示、键盘工作方式 返回
数字测速 教学内容 掌握三种基本的数字测速方法,各自的特点、性能指 教学目的 标及应用场合 数字测速指标:分辨率、误差率 教学重点 法测速,T法测速,MT法测速 1.5学时 建议学时 PPT演示软件 教学教具与方法 33数字测速 检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲,然后计算转速,有三种数字 测速方法:即M法、T法和M/T法。光电式旋转编码器是转速或转角的检测元 件,旋转编码器与电机相连,当电机转动时,带动码盘旋转,便发出转速或转 角信号,图3-10 发光 装置 接收 装置 教案 331数字测速指标 1.分辨率 改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率,用符号Q表示。转速 由n1变为n2时,引起记数值改变了一个字,则该测速方法的分辨率是 ρ=n2-n1°Q越小,说明该测速方法的分辨能力越强 2.测速误差率 转速实际值和测量值之差Mn与实际值n之比定义为测速误差率 6%N×100%,测速误差率反映了测速方法的准确性,%越小,准确度 越高
教学内容 数字测速 教学目的 掌握三种基本的数字测速方法，各自的特点、性能指 标及应用场合。 教学重点 数字测速指标：分辨率、误差率。 M 法测速，T 法测速，M/T 法测速 建议学时 1.5 学时 教学教具与方法 PPT 演示软件 教 案 3.3 数字测速 检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速，有三种数字 测速方法：即 M 法、T 法和 M/T 法。光电式旋转编码器是转速或转角的检测元 件，旋转编码器与电机相连，当电机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转 角信号，图 3-10。 3.3.1 数字测速指标 1．分辨率 改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号 Q 表示。转速 由 1 n 变为 n2 时，引起记数值改变了一个字，则该测速方法的分辨率是 Q = n2 − n1。Q 越小，说明该测速方法的分辨能力越强。 2．测速误差率 转速实际值和测量值之差 n 与实际值 n 之比定义为测速误差率， % 100% = n n ，测速误差率反映了测速方法的准确性， % 越小，准确度 越高。 码盘 轴 发光 装置 接收 装置 VCC
332M法测速 测取T时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1,用以计算这段时间内的平 均转速,称作M法测速,图3-11。 几 T 电机的转速为n=60M ZT r/min M法测速的分辨率:O 60M1+1)60M160 M法测速误差率: 60M160(M1-1) 100 ×100% 60M1 M法测速适用于高速段 333T法测速 记录编码器两个相邻输出脉冲的间的高频脉冲个数M2,⑥为高频脉冲频 率,图3-12。 M T=M2/厂 电机转速 606 r/min ZT. ZM2
3.3.2 M 法测速 测取 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数 M1 ，用以计算这段时间内的平 均转速，称作Ｍ法测速，图 3-11。 电机的转速为 r/min 60 1 ZTc M n = ， M 法测速的分辨率： c ZTc ZTc M ZT M Q 60( 1 1) 60 1 60 − = + = M 法测速误差率： 100% 1 100% 60 60 60( 1) % 1 1 1 1 max = − = M ZT M ZT M ZT M c c c M 法测速适用于高速段， 3.3.3 T 法测速 记录编码器两个相邻输出脉冲的间的高频脉冲个数 M2，f0 为高频脉冲频 率，图 3-12。 电机转速 r/min ZM 60f ZT 60 n 2 0 t = = M2 2 0 T M f t = Tc M1
T法测速的分辨率: 60/060060J 或O Z(M2-1)ZM2zM2(M2-1) 60fo-Zn T法测速误差率: f o 60f o ZM 100% fo 12-1×100% T法测速适用于低速段。 334M法测速 把M法和T法结合起来,既检测T时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1 又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M,用来计算转速,称作MT法测遠。 采用M/T法测速时,应保证高频时钟脉神计数器与旋转编码器输出脉冲计数器 同时开启与关闭以减小误差。 电机转速 速n=60M=60Mm ZM2 图3-13 「L「L L「L M To 数字P调节器 教学内容 掌握数字PI调节器的设计方法及其软件的实现,数字 教学目的 PI的改进的方法。 模拟PI调节器的数字化,位置式和增量式算法。 教学重点 改进的数字PI算法:积分分离算法 1.5学时 建议学时
T 法测速的分辨率： ( 1) 60 60 ( 1) 60 2 2 0 2 0 2 0 − − = − = ZM M f ZM f Z M f Q 或 f Zn Zn Q − = 0 2 60 Ｔ法测速误差率： 100% 1 1 100% 60 60 ( 1) 60 % 2 2 0 2 0 2 0 max − = − = M ZM f ZM f Z M f T 法测速适用于低速段。 3.3.4 M/T 法测速 把 M 法和 T 法结合起来，既检测 TC 时间内旋转编码器输出的脉冲个数 M1， 又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数 M2，用来计算转速，称作 M/T 法测速。 采用 M/T 法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器 同时开启与关闭以减小误差。 电机转速 r/min 60 60 2 1 1 0 ZM M f ZT M n t = = 图 3-13 教学内容 数字 PI 调节器 教学目的 掌握数字 PI 调节器的设计方法及其软件的实现，数字 PI 的改进的方法。 教学重点 模拟 PI 调节器的数字化，位置式和增量式算法。 改进的数字 PI 算法：积分分离算法。 建议学时 1.5 学时 Tc M1 M2
PPT演示软件 教学教具与方法 34数字P调节器 34.1模拟PI调节器的数字化 在微机数字控制系统中,当采样频率足够高时,可以先按模拟系统的设计 方法设计调节器,然后再离散化,就可以得到数字控制器的算法,这就是模拟 调节器的数字化 P调节器的传递函数Wp(S)= U(s) Kpis +1 E(s) 时域表达式可写成)=K0)+10b=k(0+kM, Kn=Kn为比例系数,K 为积分系数 离散化成差分方程,T。m为采样周期,其第k拍输出为 (k)=kpe(k)+K17m2e()=Kpe(6)+1(k) 教 Kpe(k)+ktsame(k)+u, (k-1) 上式为位置式算法:比例部分只与当前的偏差有关,而积分部分则是系统 案 过去所有偏差的累积 增量式PI调节器算法 Au(k)=u(k)-u(k-1)=Kple(k)-e(k-1)+K, Same(k) l(k)=l(k-1)+△a(k) 增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出的偏差量。 增量式門调节器算法只需输出限幅,而位置式算法必须同时设积分限幅和 输出限幅,缺一不可 带有积分限幅和输出限幅的位置式数字PⅠ调节程序框图,图3-17 数字P】调节 计算偏差e(k a ()--M ()-E(k)-1
教学教具与方法 PPT 演示软件 教 案 3.4 数字 PI 调节器 3.4.1 模拟 PI 调节器的数字化 在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计 方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟 调节器的数字化。 PI 调节器的传递函数 s K s E s U s W s pi pi 1 ( ) ( ) ( ) + = = 时域表达式可写成 u t K e t e t dt K e t K e t dt pi P I = + ( ) = ( ) + ( ) 1 ( ) ( ) ， Kp = Kpi 为比例系数， = 1 KI 为积分系数。 离散化成差分方程， Tsam 为采样周期，其第 k 拍输出为 ( ) ( ) ( 1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 = + + − = + = + = K e k K T e k u k u k K e k K T e i K e k u k P I sam I P I k i P I sam 上式为位置式算法：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统 过去所有偏差的累积。 增量式 PI 调节器算法： ( ) ( 1) ( ) ( ) ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( ) u k u k u k u k u k u k K e k e k K T e k P I sam = − + = − − = − − + 增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出的偏差量。 增量式 PI 调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和 输出限幅，缺一不可。 带有积分限幅和输出限幅的位置式数字 PI 调节程序框图，图 3-17。 计算偏差e(k) N Y 数字PI调节 Y N u (k) = K T e(k) + u (k −1) I I sam I ( ) ? max u k u I max uI (k) = u ( ) ? umax u k I − 结束 N Y max u(k) = u max uI (k) = −u max u(k) = −u ( ) ? max u k u ( ) ? umax u k − u(k) K e(k) u (k) = P + I N Y A B C A B C
42改进的数字PI算法 微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力,充分应用这些能 力,可以衍生出多种改进的PⅠ算法,提高系统的控制性能。 1.积分分高算法 把P和I分开。当偏差大时,只让比例部分起作用,以快速减少偏差:当 偏差降低到一定程度后,再将积分作用投入,既可最终消除稳态偏差,又能避 免较大的退饱和超调。这就是积分分离算法的基本思想 积分分离算法表达式为(k)=Ke(k)+CKTm∑e( ,Jle(6|6 积分分离法能有效抑制振荡,或减小超调,常用于转速调节器
3.4.2 改进的数字 PI 算法 微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能 力，可以衍生出多种改进的 PI 算法，提高系统的控制性能。 1．积分分离算法 把 P 和 I 分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当 偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避 免较大的退饱和超调。这就是积分分离算法的基本思想。 积分分离算法表达式为 = = + k i p I I sam u k K e k C K T e i 1 ( ) ( ) ( ) 其中 = 0, ( ) 1, ( ) e i e i CI δ为一常值。 积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器