第五章 数字控制的直流调速系统和MATLAB仿真.ppt

华南理工大学 第五章 数字控制的直流调速系统和MATLAB仿真 内容提要 概述； 数字控制双闭环直流调速系统； 双直流调速系统的MATLAB仿真。 5.1 概述 内容提要: 数字控制调速的主要特点 数字控制调速系统的结构 数字测速 数字滤波 随着微电子技术、微机处理器的出现和运算速度的提高以及计算机控制软件的发展，电机调速系统由原来的以模拟量反馈、模拟调速器为核心的连续调速控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速数字信号处理器为核心的数字调速控制系统。 数字化调速系统指的是用微机处理器代替以往的模拟调速器，它具有体积小，实现方便等优点，不仅一般的PID控制，就是复杂的矢量控制、非线性鲁棒控制、模糊控制等方法都可以编程实现，这给设计和构造调速系统的工程师带来许多便利。 5.1.1 数字控制调速的主要特点 数字控制具有以下主要特点： (1)数字控制系统用计算机进行数据处理和计算，系统中的控制量和反馈量都必须根据一定的采样周期进行离散化，转换成数字信号。 (2)控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好。对于不同的控制对象和控制要求，只需改变控制算法软件即可。 (3)数字控制器的输入输出通道可以实现控制量的模拟输出、反馈量的数字输入，具有数据采集速度快、值域范围宽、分辨率高、精度高等特点，为实现高性能的运动控制系统打下基础。 (4)采用高速数字信号处理器为控制器，可以实现复杂的高性能的各种控制策略和方法，如矢量控制、多变量模糊控制等。由于软件的灵活性，可以尽可能充分地实现人工智能，更好地适应复杂的控制系统。 (5)借助一些人机界面设备（如与处理器相连的液晶显示屏、控制面板、触摸屏等）实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯能力实现与上位机的通讯；借助现场总线技术实现底层控制设备的联网，因而更方便地实现高复杂度的多机协同工作。 此可以看出，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，它将是未来调速系统的必然发展趋势。 5.1.2 数字控制调速系统的结构 系统工作过程: 电机的转速、电流和电压等参数通过光码盘、旋转变压器或电流和电压互感器等传感装置进行采集，采集到的信号经A/D转换成为数字量或直接就是数字量被送入计算机; 计算机作为数字控制器的微处理器接收控制指令和反馈信号，按一定的控制策略和算法，实时地计算出控制量，该控制量输出后，经D/A转换成模拟量，通过隔离（如光电隔离）和放大后，经过驱动电路，被作用到功率变换电路上，最终调节电机的运行状态。 对于直流调速系统，驱动信号通常是晶闸管的导通角，对于交流变频调速系统，驱动信号通常是开关频率。数字化调速系统除了能实现对电机的高精度控制外，还具有在线显示电机速度、电压、电流等参数，随时检测电机和系统的运行状态，发生故障能及时以声光形式报警等功能。 数字控制的调速系统对计算机控制部分即数字控制器的要求比一般系统对数字控制器的要求高，电机调速系统的采样时间一般为毫秒级，过渡过程很快，数字控制器必须在极短的采样间隔内进行大量的数学运算，因此，用于电机调速系统的数字处理器必须具有强大的运算能力和较快的运算速度。 5.1.3 数字测速 与模拟控制系统不同，在高性能数字控制系统中，调速系统需要高精度的传感器来实现电机位置和转速的数字检测。 目前数字控制系统常采用旋转编码器进行数字测速。根据测量方法的不同，旋转编码器又可以分为绝对式和增量式。绝对式旋转编码器检测转角，增量式旋转编码器检测转速。 数字测速以其测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点。 5.1.3.1 绝对式旋转编码器 旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。 绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。码盘上细缝的排列方式与码制有关，常用的码制有二进制和循环码制。 二进制码最简单，其码盘图形如图5-2（a）所示。图中，一圈的间距称为一个码道，对应于数码的一位，外环为最低位，内环为最高位，该图例中有4位。如果码道数为N，按对 圆周分度，则码盘的角度分辨率 为： 由上式可知，码道数N越大，分辨率 越小，码盘对角度的测量精度越高。 根据光电接收电路得到的各位脉冲（S1，S2，S3，S4）对应关系如图5-2（b），可确定电机轴的旋转角度。绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速信号，必须对转角进行微分处理。由于绝对式旋转编码器的码盘上有许多圈槽，为获得高测量精度就要求很高的机械加工精度，导致成本很高，在实际工程中使用的较少。 5.1.3.2 增量式旋转编码器 增量式旋转编码器由