1.微型计算机数字控制的主要特点 教学内容 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 教学目的 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 教学重点 择 微机数字控制系统的软件和硬件的结构 2学时 建议学时 PPT演示软件 教学教具与方法 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 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 教案 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 311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。 312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
教学内容 1．微型计算机数字控制的主要特点 2．微机数字控制双闭环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 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∞的连续函数,最高频率/m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 m5(4-10)m,m为制对象的最小时间常数 313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AD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DA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 ASR ACR UPE K 微机
其频谱为 0 至∞的连续函数，最高频率 max f 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 min (4 ~ 10) 1 Tsam T ，Tmin 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。 ACR UPE FBS ASR M K K - - * ndig ndig ddig I * ddig I 微机 - + ~
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。 电压检测电流检 温度檢 电流检测 动电路 转速检测 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AD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AD转换器、通用IO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 322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
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 Intel 8X196MC 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
开始 系统初始化 键按下吗 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
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。 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。 开始 系统初始化 键处理 刷新显示 数据通信 有键按下吗？ Y N 系统初始化 设定定时器、PWM、 数字测速工作方式 参数及变量 初始化 设定I/O、通信接口及 显示、键盘工作方式 返回
数字测速 教学内容 掌握三种基本的数字测速方法,各自的特点、性能指 教学目的 标及应用场合 数字测速指标:分辨率、误差率 教学重点 法测速,T法测速,MT法测速 1.5学时 建议学时 PPT演示软件 教学教具与方法 33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M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3-10 发光 装置 接收 装置 教案 331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量来表示分辨率,用符号Q表示。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 ρ=n2-n1°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Mn与实际值n之比定义为测速误差率 6%N×100%,测速误差率反映了测速方法的准确性,%越小,准确度 越高
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 教学教具与方法 PPT 演示软件 教 案 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 M 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 3-10。 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量来表示分辨率，用符号 Q 表示。转速 由 1 n 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 Q = n2 − n1。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 n 与实际值 n 之比定义为测速误差率， % 100% = n n ，测速误差率反映了测速方法的准确性， % 越小，准确度 越高。 码盘 轴 发光 装置 接收 装置 VCC