1、沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院 馬斌,計算機控制技術(shù),第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.1微機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計方法,8.2微機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程,8.3變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計,8.4加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計與分析,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,直流傳動系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、造紙機、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。,設(shè)計一個直流傳動系統(tǒng)，首先應(yīng)熟悉加工工藝要求，根據(jù)生產(chǎn)機械對傳動系統(tǒng)所提出的拖動功率及系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)的要求，綜合考慮各種因素，提出系統(tǒng)技術(shù)方案，進(jìn)行硬件、算法、軟件設(shè)計。,以晶閘管采用三

2、相全控整流供電的雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)為例討論系統(tǒng)的設(shè)計過程。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,一、已知的系統(tǒng)參數(shù),二、確定整體方案：,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,一、已知的系統(tǒng)參數(shù),直流電動機：Z2-41型， Ped=3Kw,Ued=220v,Ied=17.3A,ned=1500r/mis,電樞回路總電阻：R=2.5； 電動機回路電磁時間常數(shù)：TL=0.017s；,電動機機電時間常數(shù)：TM=0.152s； 電動機電勢時間常數(shù)：Ce=0.13

3、52V/(r mis-1);,晶閘管整流電路滯后時間：Ts=0.0017s。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,二、確定整體方案,采用內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)的雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下：,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,二、確定整體方案,電流環(huán)設(shè)計方案：,電流內(nèi)環(huán)要獲取電流反饋信號，采用交流電流互感器作為電流檢測元件，檢測的電流信號經(jīng)整流分壓濾波后，變成與負(fù)載電流成比例的05V直流電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機。為此：,電流環(huán)反饋系數(shù)：5V/17.3A0.289V/A,每V電壓為：17.3A/5V3.46A,每數(shù)值1代表的電壓：5/2550.0196V,數(shù)值1

4、代表的電流：17.3A/2550.068A,加入分壓比后：5V/（17.3A1.5）0.19V/A,電流環(huán)反饋濾波時間常數(shù)：Tfi0.0024s2.4ms 由互感器及濾波電路參數(shù)決定。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,二、確定整體方案,速度環(huán)設(shè)計方案：,速度環(huán)要獲取轉(zhuǎn)速反饋信號。采用主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋的檢測元件。它將角度位移信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，通過計數(shù)器即可得到轉(zhuǎn)速反饋的數(shù)字信號。當(dāng)然也可以采用測速發(fā)電機經(jīng)分壓整流濾波A/D轉(zhuǎn)換送入計算機。,選定每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個脈沖的主軸脈沖發(fā)生器。,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)時，即主軸脈沖發(fā)生器每分鐘產(chǎn)生1024個脈沖，為此有：600000ms/102458.

5、6ms。,即：計數(shù)器每間隔58.6ms的計數(shù)值正好為電機的每分鐘轉(zhuǎn)速。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,二、確定整體方案,速度環(huán)設(shè)計方案：,根據(jù)速度環(huán)控制器在穩(wěn)態(tài)時，給定數(shù)字與反饋數(shù)字（即每個采樣周期內(nèi)脈沖計數(shù)）相平衡的特點，來計算速度反饋系數(shù)。,采用8位二進(jìn)制數(shù)為給定值,則當(dāng)其最大時Ugnm=255,電機轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到最高Nmax，因此有反饋系數(shù)： Ugnm=Nmax 即：,Ugnm/Nmax255/15000.17 脈沖/r mis-1 反過來講：1/5.88， 即每一數(shù)值代表的轉(zhuǎn)速Nmax/Ugnm,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,二、確定整體方案,速度環(huán)設(shè)計方案：,估算采樣周期TN:,為使反饋

6、系數(shù)與采樣周期TN有關(guān)聯(lián)，設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速n時有： n*n*1024*TN,即：TN/1024 0.17/10240.000166mis9.96ms10ms,從速度環(huán)給定與反饋系數(shù)配合的角度來看，速度環(huán)采樣周期TN取10ms比較合適。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,對于雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)一部可采用PI控制調(diào)節(jié)規(guī)律。這里用直接數(shù)字控制器設(shè)計方法。,則有： u(n) = u(n1)+u(n) =u(n-1)+kpe(n)-e(n-1)+kie(n),第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,1、電流環(huán)控

7、制器參數(shù)的整定：, 首先用擴充響應(yīng)曲線法， 作飛升曲線如圖：,設(shè)測試結(jié)果為：/T =0.8 因T=TL=0.017s(電機時間常數(shù)） 則：0.8*0.017=0.0136s,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,1、電流環(huán)控制器參數(shù)的整定：, 選擇控制度為1.5時，查表P46頁表3-3有： T=0.50.5*0.01360.0068s6.8ms,kp0.68T/=0.68*0.017/0.0136=0.85 Ti3.93.9*0.0136=0.05304 ki=kp*T/Ti=0.85*0.0068/0.05304=0.10897, 得出電流環(huán)數(shù)字控制器： u(k)=u

8、(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kie(k) =u(k-1)+0.85e(k)-e(k-1)+0.10897e(k) =u(k-1)+0.96e(k)-0.85e(k-1),第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,2、速度環(huán)控制器參數(shù)的整定：, 首先用擴充響應(yīng)曲線法， 作飛升曲線如圖：,設(shè)測試結(jié)果為：/T =0.95 因T=TM* Ce=0.152*0.1352 =0.0206 則：0.95*0.0206=0.01957s,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,三、電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計：,2、速度環(huán)控制器參數(shù)的整定：, 選擇控制度為1.5時，查表P46頁表3-3有：

9、T=0.50.5*0.019570.0097s9.7ms,kp0.68T/=0.68*0.0206/0.01957=0.716 Ti3.93.9*0.01957=0.0763 ki=kp*T/Ti=0.716*0.0097/0.0763=0.091, 得出速度環(huán)數(shù)字控制器： u(k)=u(k-1)+kpe(k)-e(k-1)+kie(k) =u(k-1)+0.716e(k)-e(k-1)+0.091e(k) =u(k-1)+0.807e(k)-0.716e(k-1),第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,1、數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)和分類：,三

10、相晶閘管整流電路如右所示。,為使共陽極組和共陰極組各有一個晶閘管同時導(dǎo)通構(gòu)成通路，通常都采用雙脈沖觸發(fā)方式。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,1、數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)和分類：,6個晶閘管導(dǎo)通的順序為：SCR1-SCR2-SCR3-SCR4-SCR5-SCR6。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,1、數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)和分類：,單片機對電流控制器的輸出控制電壓Uk進(jìn)行采樣，以同步基點作為參考點，計算出控制角的大小，再通過定時器按控制角的大小及如圖的順序，準(zhǔn)確地給各晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖，這就是數(shù)字觸發(fā)器的任務(wù)。,目前數(shù)字觸發(fā)器主要有兩類：絕對觸發(fā)和

11、相對觸發(fā)。, 絕對觸發(fā)方式：就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準(zhǔn)時刻點，三相電路中要有6個基準(zhǔn)點。,相對觸發(fā)方式：是由前一個觸發(fā)脈沖為基準(zhǔn)，來確定后一個觸發(fā)脈沖時刻的方法。用加長或縮短相鄰2次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角。在穩(wěn)態(tài)時，這個間距等于60。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,2、數(shù)字觸發(fā)器的控制算法：,設(shè)相鄰晶閘管之間觸發(fā)脈沖間距為，在穩(wěn)態(tài)情況下，60，當(dāng)由k-1變?yōu)閗的動態(tài)過程中，遵循以下規(guī)律： = kk-160,以定時器時間常數(shù)表示為：T =TckTck-1T60。,以Uac過零點來校正觸發(fā)SCR1,SCR6的控制角。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實

12、例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,2、數(shù)字觸發(fā)器的控制算法：,當(dāng)60時,第2個計數(shù)器的余數(shù)T可以讀出，即為下一周期觸發(fā)SCR1,6的控制角，同步在t6和t1之間的t0時刻，偏差計算公式為:T =TckT,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,2、數(shù)字觸發(fā)器的控制算法：,當(dāng)60120時，同步在t5和t6之間，偏差計算公式為:T =Tck(TT60),當(dāng)120180時，同步在t4和t5之間，偏差計算公式為:T =Tck(TT120),把同步脈沖設(shè)置為中斷信號，在中斷處理中計算本周期的偏差T,然后用下式計算: T=TckTck-1T60T 就可以得到觸發(fā)脈沖的間距，偏差就可

13、以得到糾正。,作業(yè)：,1. 當(dāng)速度環(huán)采用每轉(zhuǎn)產(chǎn)生720個脈沖的主軸脈沖發(fā)生器作為速度反饋檢測元件時。已知：電機額定轉(zhuǎn)速3000r/mis，速度給定為8位二進(jìn)制數(shù)。 2. 試計算以多少ms為時間間隔對脈沖計數(shù)，其計數(shù)值正好對應(yīng)電動機的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)？ 3. 試計算速度反饋系數(shù)，并以速度環(huán)給定與反饋的配合要求，來計算速度環(huán)的采樣周期TN。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,3、建立表 ：,根據(jù)三相全橋整流電路輸出電壓Ud與控制角之間的關(guān)系: Ud2.34 E2 cos E2變壓器二次側(cè)相電壓,若令觸發(fā)整流環(huán)節(jié)成為一個放大系數(shù)為Ks的線性環(huán)節(jié)即: Ud2.34 E2 cosK

14、s Uk,即：cos-1(Uk）是一個與最小控制角和最大控制電壓有關(guān)的比例因子。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,3、建立表 ：,若使cos與Uk之間成為線性關(guān)系，也就是使與Uk之間成為余弦，就可使Ud與Uk之間保持線性關(guān)系。,由cos-1(Uk)可計算出Uk與的一一對應(yīng)值。由于角需參與運算，送入定時器，所以要換算成以時鐘周期為基準(zhǔn)的定時器時間常數(shù)。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,3、建立表 ：,對于6M晶振下單片機定時器工作在模式1(16位)時有： T(216T0)2 ( us ) 則：T0216T/2=21627.8 所以：T0

15、21627.8cos-1(Uk),給定一個Uk值，就可以算出一個定時器的初始值T0。應(yīng)用中為提高實時性，采取事先計算對應(yīng)值存儲在表中。一般稱其為表。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,四、晶閘管觸發(fā)數(shù)字控制器設(shè)計：,4、脈沖分配表 ：,數(shù)字觸發(fā)器依據(jù)觸發(fā)順序，發(fā)出控制信息，為方便起見，建立一個“脈沖分配表”。,每當(dāng)定時觸發(fā)到，CPU響應(yīng)中斷，從表中順序取出數(shù)據(jù)由I/O口輸出，去觸發(fā)晶閘管。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,在系統(tǒng)整體方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計。 這部分主要任務(wù)是CPU及接口電路和輸入輸出通道的設(shè)計。,由系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖可知，要有電流檢

16、測及反饋信號輸入，同步脈沖輸入，觸發(fā)脈沖輸出，速度計數(shù)脈沖輸入及速度給定輸入等。,這里按模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析和控制器硬件的設(shè)計。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,8.5雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,三個控制器：數(shù)字速度控制器、數(shù)字電流控制器、數(shù)字晶閘管觸發(fā)器。,確定的系統(tǒng)整體方案,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,1、數(shù)字觸發(fā)器的設(shè)計：,數(shù)字觸發(fā)器有2個輸入量：同步脈沖信號和控制角的給定值；1個輸出量：晶閘管觸發(fā)信息。,其中：控制角的給定值，是由速度環(huán)、電流環(huán)經(jīng)運算后給出，它可由軟件程序來實現(xiàn)。,同步脈沖信號：由線電壓Uac取來，經(jīng)單相同步變壓器降壓、隔離后，由過零比較器和單穩(wěn)電

17、路處理，可得到Uac從負(fù)半波到正半波的過零點處的同步脈沖。,為保證同步觸發(fā)，同步脈沖信號必須作為中斷輸入。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,1、數(shù)字觸發(fā)器的設(shè)計：,對于晶閘管觸發(fā)輸出信息，可由P1.0P1.5輸出，為提高可靠性增加一級單穩(wěn)觸發(fā)器，形成1ms的脈寬，再經(jīng)光隔驅(qū)動脈沖變壓器去觸發(fā)SCR，其觸發(fā)脈沖由定時器T1定時。,數(shù)字觸發(fā)器硬件電路原理圖,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,2、電流環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,電流環(huán)數(shù)字控制器有2個輸入量：電流給定Ugi和電流檢測反饋信號Ufi；1個輸出量：晶閘管的控制角的給定。,其中：Ugi和的均可由軟件程序來實現(xiàn)

18、。 硬件僅做電流檢測反饋信號輸入的設(shè)計。,電流環(huán)采樣周期，前面已計算為6.8mS，按與速度環(huán)匹配考慮，可選為5ms，由定時器T0實現(xiàn)。定時中斷時，起動ADC0809讀取電流值。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,2、電流環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,電流檢測反饋信號的輸入設(shè)計，一般可由交流互感器、整流、分壓、濾波處理而形成05V的直流電壓信號，再經(jīng)ADC0809將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送CPU。,電流環(huán)控制器硬件電路原理圖,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,速度環(huán)數(shù)字控制器有2個輸入量：速度給定Ugn和速度反饋信號Ufn；1個輸出量：電流給定

19、值Ugi。,其中：控制器輸出可由軟件程序來實現(xiàn)。,速度給定有兩種方式實現(xiàn)：一是采用鍵盤輸入；二是采用多圈電位器，將05V電壓信號送到ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但需要顯示器配合。,速度檢測由主軸脈沖發(fā)生器作為傳感元件，需要由計數(shù)器接收脈沖信號，前面分析已知需要58.6ms為間隔讀取轉(zhuǎn)數(shù)。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,速度的采樣周期確定為10ms。為此，可將得到的計數(shù)脈沖值乘以5.86，即可得到實際轉(zhuǎn)數(shù)。,速度環(huán)需要一個計數(shù)器和一個定時器，而CPU的T0和T1已被占用，只有擴充定時/計數(shù)器接口。,8253芯片是具有三個功能完全相同、相互獨立的16

20、位定時/計數(shù)器與51系列CPU不同的是減計數(shù)器。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,8253的6種工作方式： 1方式0計數(shù)結(jié)束時中斷方式,2方式1程序可控單穩(wěn)方式,3方式2分頻方式,4方式3發(fā)生方波方式,5方式4軟件觸發(fā)的選通信號方式,6方式5硬件觸發(fā)選通方式,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,8253的 計 數(shù) 通 道 結(jié) 構(gòu),第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：,3、速度環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計：,當(dāng)向8253寫入方式控制字后，計數(shù)器輸出立即變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器開始減計數(shù)，計數(shù)結(jié)束時，輸出變?yōu)楦唠娖?，并一直保持到再次置入初值?GATE為控制端：1計數(shù)，0停止。,第八章 微機控制系統(tǒng)設(shè)計實例,五、系統(tǒng)的總體設(shè)計：