运动控制系统

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1、内容提要内容提要v用离散控制系统设计数字控制器用离散控制系统设计数字控制器 模拟模拟/数字控制系统的对比数字控制系统的对比v模拟控制系统模拟控制系统： 物理概念清晰，控制流向直观，但线路复物理概念清晰，控制流向直观，但线路复杂、通用性差、控制效果受器件性能、温度杂、通用性差、控制效果受器件性能、温度等因素影响等因素影响v数字控制系统数字控制系统： 稳定性好，可靠性高，提高控制性能、增稳定性好，可靠性高，提高控制性能、增加控制功能，但离散化、数字化产生的量化加控制功能，但离散化、数字化产生的量化误差，影响控制精度和平滑性误差，影响控制精度和平滑性 3. 1 微型计算机数字控制的主要特点微型计算机

2、数字控制的主要特点 微机数字控制系统的稳定性好，可靠性微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。系统无法实现的功能。 由于计算机只能处理数字信号，因此，由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是的主要特点是和和：v离散化：离散化： 为了把模拟的连续为了把模拟的连续信号输入计算机，必信号输入计算机，必须首先在具有一定周须首先在具有一定周期的采样时刻对它们期的采样时刻对

3、它们进行实时采样，形成进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，一连串的脉冲信号，即即离散的模拟信号，离散的模拟信号，这就是离散化这就是离散化。Otf(t)原信号Onf(nT)1 2 3 4采样v数字化：数字化： 采样后得到的离散采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号本质上还是模拟信号，还须经过数字信号，还须经过数字量化，即量化，即用一组数码用一组数码（如二进制码）来逼（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅近离散模拟信号的幅值值，将它转换成数字将它转换成数字信号，这就是数字化信号，这就是数字化。 数字化数字化OnN(nT)n 离散化和数字化的负面效应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

4、时间上和量值上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：的不连续性，从而引起下述的负面效应： （1）A/D转换的量化误差转换的量化误差：模拟信号可以有无穷：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性平滑性。 （2） D/A转换的滞后效应转换的滞后效应：经过计算机运算和处：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理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放

5、大后驱动被控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，对象。但是，保持器会提高控制系统传递函数分母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，甚至会破坏系统的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性的稳定性。 随着微电子技术的进步，微处理器的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，并负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予

6、以解决。在系统设计中予以解决。 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统微机数字控制双闭环直流调速系统 的硬件和软件的硬件和软件 3.2.0 系统组成方式系统组成方式 数字控制直流调速系统的数字控制直流调速系统的组成方式大致组成方式大致可分为三种：可分为三种： 1. 数模混合控制系统数模混合控制系统U*nUnU*iUcUi-数字电路数字电路- 数模混合控制系统特点：数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；节器；电流调节器采用数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。脉冲触发装置则采用模拟电路。2. 数字电路控制系统数

7、字电路控制系统数字电路数字电路主电路主电路-U*nUnU*iUiUc 数字电路控制系统特点数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。数字电路组成。3. 计算机控制系统计算机控制系统主电路主电路微机控制电路微机控制电路-U*nUnUiU*iUc 在数字装置中，由计算机软硬件实现其功在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能能 ，即为计算机控制系统。系统的特点：，即为计算机控制系统。系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转

8、速给定和检测；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。算法，由软件实现转速、电流调节。3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构硬件结构 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图结构如图3-4所示，系统由以下部分组成所示，系统由以下部分组成主电路主电路检测电路检测电路控制电路控制电路给定电路给定电路显示电路显示电路图图3-4 微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图调速系统硬件结构图 v主回路主回路微机数字控制双闭环直流调速微机数字控

9、制双闭环直流调速系统主电路中的系统主电路中的UPE有两种方式有两种方式：l直流直流PWM功率变换器功率变换器l晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器v检测回路检测回路检测回路包括电压、电流、检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中温度和转速检测，其中：l电压、电流和温度检测由电压、电流和温度检测由 A/D 转换通转换通道变为数字量送入微机；道变为数字量送入微机；l转速检测用数字测速。转速检测用数字测速。1. 转速检测转速检测 转速检测有模拟和数字两种检测方法：转速检测有模拟和数字两种检测方法： （1）模拟测速模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小

10、，还包含了转速的方向，不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不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。码或补码，然后进行闭环控制。（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往对于要求精度高、

11、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即需要采用旋转编码器测速，即数字测速数字测速。 测速基本方式测速基本方式2. 电流和电压检测电流和电压检测 电流和电压检测除了用来构成相应的反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馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。转换送入微机，其处理方法与转速相同。 电流检测方法电流检测方法（1）电流互感器）电流互感器（2）霍尔效应电流变换器）霍尔效应电流