《运动控制系统》教案

K

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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

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。

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

2 学时

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 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，

min ， T

(4 1 ⨯ ddig

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其频谱为 0 至∞的连续函数，最高频率 f

m ax 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

T s am

≤

~ 10)

T m in 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。

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⨯

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ddig

ASR ACR UPE

M

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-

n

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-

I

K

β

-

K

α

FBS

微机

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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Intel8X196MC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。

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N

开始

系统初始化

有键按下吗？

Y 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。