转速电流双闭环直流调速系统的数字实现ppt培训课件

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1、转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现,转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现,2.3.1 微机数字控制的特点 2.3.2 转速检测的数字化 2.3.3 数字PI调节器,2.3.1 微机数字控制的特点,模拟系统在第一节与第二节中我们讨论了直流调速系统的基本组成，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 优点: 具有物理概念清晰、控制信号流向直观，便于学习入门。动态响应快。 缺点：1）硬件线路复杂，通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。2）PI调节器参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象 的变化自适应能力差。3）难以实现高级的控制策略和控制方法。如：最优控制、自

2、适应控制、模糊控制、神经网络控制等。,数字控制系统：以微控制器为核心的数字控 制系统。优点：1）采用数字给定、数字测速装置，把给定信号和反馈信号都用数字脉冲的形式加以实现。与模拟控制系统相比较，数字控制系统的调速精度大大提高。,微机数字控制的特点,微机数字控制的特点,优点： 2）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；稳定性好，可靠性高。 微型计算机的数字运算功能替代了原先由运算放大器所组成的调节器， 微型计算机直接输出UPE的控制信号，通过功率放大环节驱动了电力电子功率器件。,微机数字控制的特点,3）采用高速数字信号处理器DSP为控制器，可以实现复杂的高性能的各种控制策

3、略和方法，而且更改起来灵活方便。 可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。 4）拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。如: 运行状态监控、预警、故障诊断. 上下微机的通信。 还可以借助现场总线技术实现底层控制设备的联网，可更方便的实现高复杂度的多机协同工作。,数字控制系统的缺点：1）存在采样和量化误差。增加A/D,D/A转换器的位数及提高采样频率可以减少这一误差。2）响应速度慢于模拟系统。3）软件成本较贵。可用大批量生产来降 低成本。4）对软件实现的功能，不容易使用仪器如示波器、万用表来直接观察。 微机数字控制系统的主要特点：是离散化和数字

4、化。,微机数字控制的特点,微机数字控制的结构图,图2-28 微型计算机采样控制系统,信号的离散化,微机控制的调速系统是一个数字采样系统， K1是给定值的采样开关， K2是反馈值的采样开关， K3是输出的采样开关。 若所有的采样开关是等周期地一起开和闭，则称为同步采样。 微型计算机只有在采样开关闭合时才能输入和输出信号。为了把它们输入微型机，必须在采样时刻把连续信号变成脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是信号的离散化。,离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。,O,n,f(nT),信号的离散化

5、,信号的数字化,采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，还须经过数字量化， 用一组数码（如二进制数）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是信号的数字化。,数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，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。,数字化,信号的数字化,离散化和数字化的负面效应,离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应： A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和

6、平滑性。,D/A转换的滞后效应： 经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。 但是，保持器会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。,离散化和数字化的负面效应,随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。 但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。,离散化和数字化负面效应的应对,Shannon 采样定理,根据 Shannon(香农) 采样定理，采样频率 fsam 应不小于信号最高频率

7、 fmax 的2倍，即fsam 2 fmax 这时，经采样及保持后，原信号的频谱可以不发生明显的畸变，系统可保持原有的性能。,但实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（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。,系统采样频率的确定,在一般情况下，可以令采样周期,Tmin 为控制对象的最小时间常数； 或用采样角频率 sam,c 为控制系统的截止频率。,采样定理用法,在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较小，电流内环必须有足够高的采样频率，而电流调节算法一般比较简单，采用较高的采样频率是可能的。 因此电流

8、调节器一般都可以采用间接方法设计，即先按连续控制系统设计，然后再将得到的调节器数字化。,至于转速环，由于系统的动态性能往往对转速环截止频率的大小有一定要求，不能太低。 但转速控制有时比较复杂，占用的机时较长，因而转速环的采样频率又不能很高。 如果所选择的采样频率不够高，按连续系统设计误差较大时，就应按照离散控制系统来设计转速调节器。,采样定理用法,采样频率越高，离散系统越接近于连续系统。 采样周期内，必须完成信号的采集与转换，完成控制运算，并输出控制信号。 所以，采样周期又不能太短，即采样周期总是有限的。 过高的采样频率，可能造成不要的累积误差。 在微机控制系统中，合理选取采样频率相当重要。

9、一般把速度环的最大采样周期定为10ms， 把电流环的最大采样周期定为1ms， 把采样周期定被控对象的时间常数的1/51/10。,采样定理使用中应注意的问题,2.3.2 转速检测的数字化,1.检测元件 旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电动机同轴相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，便发出转速或转角信号。 旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。 绝对式编码器常用于检测转角，在伺服系统中得到广泛的使用。 增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，又称作脉冲编码器。,增量型码盘,金属绝对型马盘,S70 系列 增量型,SJ50 系列 绝对型,旋转编码器,图2-29 增量式旋转编码器示意图

10、,1.检测元件,转向的鉴别,增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，则两组脉冲序列A和B的相位相差90。 正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。,图2-30 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列,正转,反转,正转 反转图2-30 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列,转向的鉴别,1.检测元件,1)分辨率,用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。 当被测转速由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（2-36） 分辨率Q越小，说明测速装置对转速变化的检测越敏感，从而测速的精度也越高。,2.数字测速

11、指标,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，记作（2-37） 测速误差率反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。,2.数字测速指标,3.M法测速,记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称测频法测速。 (2-38)式中: n转速，单位为r/min；M1时间Tc内的脉冲个数；Z旋转编码器每转输出的脉冲个数；Tc采样周期，单位为s。,3. M法测速,工作原理： 由计数器记录PLG发出的脉冲信号；定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt； CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数；根据计数值 M1 计

12、算出对应的转速值 n。,测速原理与波形图,M法测速的计算公式,设编码器输出脉冲的频率f1:f1=M1/Tc 个/秒 Tc秒 设电机每转一转产生Z个脉冲,则转速n=f1/Z 转/秒 转化为每分钟转则有:,3. M法测速,(2-38),M法测速分辨率Q, 当计数值由M1变为M1 +1时,转速由60M1/ZTc变为60(M1+1)/ZTc M法测速分辨率的最大值为(2-39) 用M法测速时的分辨率与转速的大小无关。,3. M法测速,M法的测速误差率, 测量误差的最大可能性是1个脉冲。因此，M法的测速误差率的最大值为（2-40）M1与转速成正比，转速越低， M1越小，测量误差率越大，测速精度则越低。这

13、是M法测速的缺点。 所以，M法测速只适用于高速段。,3. M法测速,T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算出转速。它又被称为测周法测速。 T法测速同样也是用计数器加以实现，与M法测速不同的是，它计的是计算机发出的高频时钟脉冲，以旋转编码器输出的脉冲的边沿作为计数器的起始点和终止点。,4. T法测速,4. T法测速,工作原理： 计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0； PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求； CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。,电路与波形,T法测速原理,图2-32 T法测速原理示意图,设在旋转编码器两个

14、输出脉冲之间计数器记录了M2个时钟脉冲，而时钟脉冲的频率是 f0， 则测速时间为:Tt=M2/f0 ,Tt秒 电动机转一圈的时间是ZM2/f0 。同样地，需要把时间单位从秒调整为分。 (2-41),T法测速方法,T法的分辨率,计数值M2从变为M2 1，有(2-42)综合式(2-41)和式(2-42)，可得(2-43) T法测速的分辨率Q值的大小与转速有关。转速越低，Q越小，测速装置的分辨能力则越强。,T法测速误差率,T法测速误差率的最大值为（2-44） 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度高。 T法测速适用于低速段。,T法测速结论:,n与M2成反比

15、。 高速时，M2小，误差率大。 低速时，M2大，误差率小。 T法测速适合于低速段。,M/T法测速,在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值M1减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。 在T法测速中，随着电动机转速的增加，计数值M2减小，测速装置的分辨能力越来越差。 综合这两种测速方法的特点，产生了一种被称为M/T法的测速方法。 它无论在高速还是在低速时都具有较强的分辨能力和检测精度。,M/T法测速原理,图2-33 M/T法测速原理示意图,M/T法测速的关键是要求实际的检测时间T（称为检测周期）与旋转编码器的输出脉冲严格一致。 Tc采样时钟，它由系统的定时器产生，其数值始终不变。 检测周期由Tc脉冲的边沿之后的第一个脉冲编码器的输出脉冲来决定，即T= Tc T1+ T2 。,M/T法测速原理,M/T法测速原理,检测周期内被测转轴的转角为，则(2-45) 已知旋转编码器每转发出z个脉冲，在检测周期内发出的脉冲数是M1，则转角又可以表示成：(2-46),M/T法测速原理,若时钟脉冲频率是f0，在检测周期T内时钟脉冲计数值为M2，则检测周期T可写成：(2-47) 综合式(2-45)、式(2-46)和式(2-47)便可求出被测的转速为：(2-48),