运控系统 第2章第6讲及作业

2
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.1 微机数字控制的特点
微机数字控制系统的特点是离散化和数字化，即A/D处理。 离散化：对模拟连续信号通过采样形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，叫 “离散化”处理。
数字化：离散信号经保持器保持，再经过数字量化，即用一组数码(二进制码)来逼近 离散的模拟信号
直接用采样定理来确定系统的采样频率。
④调速系统采样频率的确定 一般情况下，可以令采样周期：
T sam 1 4 ~ 10 T m in
sam
T m in 为 控 制 对 象 的 最 小 时 间 常 数 。 ( 4 ~ 1 0 )
c
或用采样角频率
c为 控 制 系 统 的 截 止 频 率 。

60 f 0M ZM
2
1

60 f 0 ZM
2
又：M
2
f 0 T f 0 T c， 故 Q
（ 同 M 法 的 Q） ZTc 60 f o = Zn
2
Z ( M 2 -1 ) M 2 60 f o Zn 结论： M/T法无论高速或低速都有较高的分辨率Q。检测区间T 的起、止时刻取编码器脉冲的上升前 沿，计数值M2最多产生一个时钟脉冲的误差。 中高转速时M2基本是个常数M2=T fo≈Tc fo，其测速误差为1/(M2-1)×100％。 低速时M2=Tfo≈＞Tcfo ，其测速误差更小。 所以M/T法具有较高的测量精度。
① 在 高 速 段 ， Tc ?
T 1和 T c ?
60f 0M ZM
2 1
T 2， 有 检 测 区 间 T T c ， 从 而 认 为 M
有：Q 60 f 0 Z f 0T c 60 6 0 f 0 (M 1 + 1 ) ZM
2
2
f 0T 不 变 化 ，
则分辨率：由速度n
3
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.1 微机数字控制的特点(续)
①离散化和数字化的缺点：
离散化：存在时间上的不连续。
数字化：存在量值上的不连续。 ②离散化和数字化的负面效应： A/D转换的量化误差：影响控制精度和平滑性。 D/A转换的滞后效应：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。
运动控制系统
第2章 闭环控制的直流调速系统 第6讲
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P61
1
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
序 P61
模拟直流调速系统：转速的给定量和反馈量都是用模拟电路以模拟量的形式提供 给系统，叫“模拟直流调速系统”。 前面讨论的转速、电流双闭环直流调速系统，优点是突出的，目前应用也很广泛。 但有两种扰动导致系统发生偏差是无法克服的： 1.转速检测装置的误差：使得反馈信息不能反应真实的转速值。 2.转速给定装置的误差：会使指定的电压值发生变化导致系统偏差。 在转速环中采用数字集成电路和脉冲装置，使转速的给定量和反馈量以数字脉冲 的形式提供给系统，叫“数字直流调速系统”。系统中其他环节如调节器、触发器等 可仍旧采用模拟电子电路。这样，给定和反馈单元电路的工作电压或器件参数的漂移 都不会影响数字脉冲形式的给定量和反馈量，数字量传输过程的抗干扰能力也优于模 拟量，从而可大大提高系统的调速精度。 用微型计算机或以微处理器为核心的数字控制系统，速度给定和反馈的数字量通 过数字接口部件进行I/O，调节器功能及其他逻辑、判断、比较、诊断等都用软件程 序的计算方式实现，还可采用如最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律进行控 制。控制量输出只需加上功率放大环节就可驱动功率部件了。
4
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.1 微机数字控制的特点(续)
③采样频率的选择： 香农(Shannon)采样定理：fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即 fsam≥2fmax
。这样经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保
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)，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
60M Tc
1
(脉 冲 /分 钟 )
（ 转 /分 ）
与 转 速 n无 关
10
2.3.2 转速检测的数字化(续)
4.T法测速 P66
T法的特点：
1.检测区间T 的起、止时刻取编码器两个相邻脉冲的上升前沿，但编码器脉冲与时 钟脉冲的上升前沿可能不同步，一个检测区间T 内最大会差错1个时钟脉冲。 2.当实际转速很高时，两个编码器脉冲之间可能采集不到时钟器脉冲(不适合高速)
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2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.2 转速检测的数字化 P63
转速检测有模拟和数字两种检测方法： 模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压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A/D 转换后得到的数字量送入微机。 对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即 数字测速。
2.数字测速方法的精度指标 P64
(1)分辨率Q 转速计数值改变一个字(一个脉冲)对应的转速差：Q=n2-n1 Q 越小，测速装置的分辩能力越强。 例如Q=0.001，表示计数值增或减一个字，转速变化千分之一转/分。 (2)测速误差率δ 用测量值与实际值的相对误差来表示：

实际值 测量值 实际值 n实 n测 n实
3. 检 测 区 间 T 的 时 长 ： T M
2
/ f0 (秒 ) 1 T 60f 0 M
2
检测区间T 内编码器脉冲频率
(脉 冲 /分 钟 ) 60f 0 （ 转 /分 ） ZM 2 Zn
2
则 ： 检 测 区 间 T 内 (编 码 器 两 个 脉 冲 之 间 )的 转 速 值 : n 60 f o Z (M
n
n实
100%
的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。
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2.3.2 转速检测的数字化(续)
将编码器输出的脉冲信号转化成转速(转/分钟)的计算处理三个方法：
3.M法测速
P65
M法的特点： 1.检测区间T 的起、止时刻取两个相邻采样脉冲的上升前沿。但采样脉冲与编码 器脉冲的上升前沿可能不同步，一个检测区间T 内最大会差错1个编码器脉冲。 2.当实际转速很低时，在一个检测区间T 内可能采集不到编码器脉冲(不适合低速)
3. 检 测 区 间 T 的 时 长 ： T Tc (秒 ) 检测区间T 内编码器脉冲频率 M Tc 则：检测区间T 内的转速值: n 6 0 (M 1 + 1 ) ZTc 60M ZTc 4. M 法 测 速 的 分 辨 率 ： Q 60M ZTc
1 1 1
（ 脉 冲 / 秒 ）
②在低速段，M
1
1，M 2 随 转 速 变 化 ， 分 辨 率 同 T 法 的 Q ， 即 Q =
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作 业
1.两相输出的旋转编码器的输出脉冲波形如下图，说 明系统如何取得电动机的旋转方向信息？
2.将编码器输出的脉冲信号转化成转速(转/分钟)的 计算处理方法有哪几个？分别适用于哪些场合？
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2.3.2 转速检测的数字化
1.旋转编码器(续) P63
为了获得旋转方向信息，采用双列光栅刻制，两列光栅错位90度，输出A、B两 路光栅脉冲信号，相位超前或落后信息代表旋转方向。采用旋转编码器的数字测速有三种方：M法、T法、M/T法。8
2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.2 转速检测的数字化
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2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
2.3.2 转速检测的数字化 1.旋转编码器 P63
编码器是将机械位移量(包括转动角度和直线位移)转化为电脉冲信号的器件。 有两大类： ①实现角度位置反馈的旋转编码器。 ②实现直线位置反馈的光栅尺。
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2.3 转速、电流双闭环直流调速系统的数字实现 P60
检 测 区 间 T 区 间 的 时 长 ： T M 2 / f0 (秒 ) 检测区间T 内编码器脉冲频率 M T 则：检测区间T 内的转速值: n 60f 0M ZM
2 1

60f 0M M
1 2
1
(脉 冲 /分 钟 )
（ 转 /分 ）
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2.3.2 转速检测的数字化(续)
M/T法的特点(续)： 4. M/T法的转速计算式中有两个计数值M1、M2，分析测速分辨率分两种情况讨论：
2 -1 )
4. T 法 测 速 的 分 辨 率 ： Q

60 f o ZM
2
=
60 f o Z (M
2 -1 ) M 2
=
60 f o Zn
与 转 速 n有 关
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2.3.2 转速检测的数字化(续)
5.M/T法测速 P67
M/T法的特点： 1.检测区间T 的起、止时刻取采样脉冲Tc的下降后沿之后第一个编码器脉冲的上 升前沿时刻，如图中T =Tc -ΔT1+ΔT2。可见检测T 区间的起、止时刻严格与编码器脉 冲同步(T 区间的时长并不固定) 2.设检测区间T 内采集到的编码器脉冲数=M1,时钟脉冲数=M2。有：