《运动控制系统》教案

教学内容1. 微型计算机数字控制的主要特点2. 微机数字控制双闭坏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 在硕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8的连续函数，最高频率九理论上为无穷大。因此，难以直接 用采样定理来确定系统的采样频率。在一般情况卞，可以令采样周期Txam几山为控制对象的最小时间常数。(4 10)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，在闭坏控制时，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AQ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坏直流调速系统结构图，图3-3。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PVM调速系统硬件结构，图3-4o1.0生逋fu按H保 护A D敦.动电K51. 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AQ转换器、通用DO和通信接II,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坏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2. 初始化子程序：完成硕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。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。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PPT演示软件教学教具与方法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H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3-10o-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童来表示分辨率，用符号Q表示。转速由心变为心时，引起记数值改变了一个字，则该测速方法的分辨率是Q = n2-nl. 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山与实际值之比定义为测速误差率，11!|一Tc!电机转速竺=如r/mmZT； ZM2T法测速的分辨率:60人 60九一 60人_靳ZM60/。-T法测速误差率:6O/ox 0/_ Z(M2-1)max 0 w60/。7M2max。必T法测速适用于低速段。334 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Mi, 又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数业,用来计算转速,称作M/T法测速。 釆用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。电机转速心沁=皿诡nzrt zm2图3T3r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PPT演示软件教学教具与方法3.4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。U(s) K 刃査+ 1PI调节器的传递函数=云彳=七一时域表达式口J写成(/) = K,(/) += Kpe(t) + K11e(t)dt,Kp = S 为比例系数，K产为积分系数。离散化成差分方程，人“”,为采样周期，其第拍输出为(灯=K peg + K “sam 丫曲)=K peg + u (k)Z=1=KPe(k) + K i Tsame(k ) + uI(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 过去所有偏差的累积。增量式PI调节器算法：讹)=u(k) - ”伙 -1) = Kpe(k) - e(k-1)+ K,Tsame(k)u(k) = u(k -1) + Au(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、增屋式pi调节器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设枳分限幅和 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3-17o益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（灯=K/（灯+C=&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。