1、第五章 直流调速系统的数字控制,问题的提出 微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 数字PI调节器 举例分析,问题的提出,前两章中论述了直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统优点：具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门。缺点：但其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。,第五章 直流调速系统的数字控制,微型计算机控制系统基本组成框图,第五章 直流调速系统的数字控制,数字控制与模拟控制相比较，有以下特点： 印刷电路板面积小，连线少；
2、产品的生产周期短，调试时间短，生产效率高。 容易实现复杂的控制思想，调速精度高于模拟调速系统。 可靠性（故障率低）及可维护性（排除故障时间短）高于模拟调速系统。,第五章 直流调速系统的数字控制,微型计算机数字控制的主要特点,1）硬件电路的标准化程度高； 2）可以实现较复杂的控制控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律； 3）具有很大的灵活性和适应性； 4）无零点漂移，控制精度高； 5）可以进行信息存储，便于故障诊断和系统维护； 6）可提供人机界面，多机联网工作；,第五章 直流调速系统的数字控制,由于计算机只能处理数字信号，因此，与
3、模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,离散化为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。,O,t,f(t),原信号,O,n,f(nT),第五章 直流调速系统的数字控制,数字化采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，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。,数字化,第五章 直流调速系统的数字控制,离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：（1）A/D转换的量化误差 模拟信号可以有无
4、穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。（2） D/A转换的滞后效应 经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会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。,第五章 直流调速系统的数字控制,随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的
5、硬件和软件,数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1. 数模混合控制系统2. 数字电路控制系统,转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器； 电流调节器采用数字调节器； 脉冲触发装置则采用模拟电路。,除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。,数字直流可逆调速系统的结构图,数字电路控制系统,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：1. 数模混合控制系统2. 数字电路控制系统3. 计算机控制系统,转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器； 电流调节器采用数字调节器； 脉冲触发装置则采用模拟电路。,除主
6、电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。,双闭环系统结构，采用微机控制。全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测。采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。,微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图所示，系统由以下部分组成 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,主回路微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式： 直流PWM功率变换器 晶闸管可控整流器,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/
7、D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速,1. 转速检测,转速检测有模拟和数字两种检测方法：,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,1）模拟测速一般采用测速发电机，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。,2）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。,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,2. 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。,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,微机数字控制双闭环直流PW
8、M调速系统硬件结构图,故障综合利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。,数字控制器数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）,a) 模拟给定,b) 数字给定,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,（1）模拟给定 模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算；,（2）数字给定 数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。,输出变量微机数字控制
9、器的控制对象是功率变换器，可以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。,微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。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 中断服务子程序等,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,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。,第二节 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,主程序框图,初始化子程序框图,1. 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、与上位计算机和其他外设通信等功能
10、。,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。,3中断服务子程序,中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、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。 转速调节中断服务子程序 电流调节中断服务子程序 故障保护中断服务子程序,转速调节和电流调节均采用定时中断,当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断,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。,第三节 数字PI调节器,模拟PI调节器的数字化 改进的数字PI算法 智能型PI调节器,1) 模拟PI调节器的数字化,PI调节器是电力拖
11、动自动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。,第三节 数字PI调节器,PI调节器的传递函数,PI调节器时域表达式,第三节 数字PI调节器,其中 KP= Kpi 为比例系数 KI =1/ 为积分系数,PI调节器的差分方程,将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为其中，Tsam为采样周期,第三节 数字PI调节器,2) 改进的数字PI算法,PI调节器的参数直接影响着系统的性能指标。在高性能的调速系统中，有时仅仅靠调整PI参数难以同时满足各项静、动态性能指标。采
12、用模拟PI调节器时，由于受到物理条件的限制，只好在不同指标中求其折衷。,第三节 数字PI调节器,而微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进的PI算法，提高系统的控制性能。 积分分离算法 离散增量式算法,第三节 数字PI调节器,积分分离算法,基本思想在微机数字控制系统中，把 P 和 I 分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。,为一常值。,积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。,离散增量式算法,PID控制的控制规律为,在数字控制中
13、，根据采样时刻的偏差量计算控制量，需要对上式进行离散化处理，因此可得离散的增量式PID控制算法为：,3) 智能型PI调节器,由上述对数字PI算法的改进可以使我们得到启发，利用计算机丰富的逻辑判断和数值运算功能，数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。,第三节 数字PI调节器,主要的智能控制方法 专家系统 模糊控制 神经网络控制 智能控制特点控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。,基于ATmega48单片机的电动自行车控制器的
14、设计（以毕业论文为例）,文摘 第1章绪论 第2章电动自行车控制器的系统分析与设计 第3章电动自行车控制器的控制策略 第4章电动自行车控制器硬件设计 第5章电动自行车控制器软件设计 第6章实验结果与分析 参考文献 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 致谢,C1 绪论,1.1课题的研究意义 1.2电动自行车的现状1.2.1电动自行车的构成 1.2.2无刷直流电动机的发展现状 1.2.3当前国内外无刷直流电动机的研究动态。1.3电动自行车控制器的研究现状及难点 1.4论文的主要内容,开始于上个世纪60年代，蓬勃发展于上个世纪90年代,目前我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或
15、无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V和48V，功率在150W400W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸电池，容量为12AH，充电时间在38小时之间，充电一次行驶里程约50km，车速低于20kmh，爬坡能力在4度以下；车型有简易型和豪华型，车重约35kg，载重量约70kg，百公里耗电量1KW左右。,中国十大电动自行车品牌,1 捷安特电动自行车 2 邦德.富士达 3 绿源电动自行车 4 英克莱电动自行车 5 飞鸽电动自行车 6 永久电动自行车 7 新日电动自行车 8 凤凰电动自行车 9 大陆鸽电动自行车 10 阿米尼电动自行车,C2 电动自行车控制器的系统分析与设计,本章简述了无刷直流电机的
16、基本构成和工作原理，建立其数学模型。重点论述了无刷直流电机转矩脉动的产生原因及换相与转矩脉动的关系，介绍了一种抑制转矩脉动的方法一重叠换相法。同时阐述了能量回馈制动的原理及其控制规律，最后介绍了控制器的功能组成。,本文设计的控制器蓄电池电压为48V，手把输出电压为OV4V，正常运行时的最大电流值为15A；当出现异常情况，导致电流急剧上升，电流值超过25A时，进入过流保护关闭驱动。功能包括调速、巡航、柔性电子刹车(EABS)、堵转保护、限流、过流保护、欠压保护、防飞车、软启动等。,C3 电动自行车控制器的控制策略,双闭环调速系统原理图,模糊-PI复合控制,为了提高系统的动、静态性能，尤其在启动或
17、者负载发生突然变化时，偏差在大范围内时采用模糊控制，响应快和调节平稳的特性，使速度跟踪加快；当电机进入平稳状态，偏差在小范围内转换到PI控制，PI控制积分环节能提高系统的静态精确度，以克服模糊控制容易产生静态误差的缺陷。,C4 电动自行车控制器硬件设计,控制器系统框图,一、AVR系列ATmega48单片机简介,ATMEL公司于2002年推出了一款新型AVR高档单片机，在AVR家族中， ATmega48是一个非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装(为DIP28和TQEPMLF32)，所
18、以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比、深受广大用户喜爱的单片机，被广泛应用于电器、仪表、电源等行业。,ATmega48的引脚分配,一、 AVR系列ATmega48单片机简介,一、 电源电路,48V电压经串联电阻后输入到LM317中，输出端电压即+l 5V。LM317为可调节3一端正电压稳压器，输出电压范围为1.2V到37V，在输出范围内能提供超过1.5A的电流，外部只需要两个电阻设置输出电压，内部有限流、热关断和安全工作区补偿功能。,RA1、RA4的作用为限流、降压，使LM317的输入输出之间的电压差不致太高，减小器件本身的功耗。CA1为滤波电容，滤除电源输入的尖峰电压。,一、 电源
19、电路,+5V电压直接从+15V经78L05得到，此处因后端的功率不是很大，78L05可以满足要求，不必使用LM317。CA2、CA3、CA4、CA5均为滤波电容，滤除输入电压中的高频成分，使输出电压平滑，纹波小。,二、三相全桥逆变电路及其功率驱动电路,三相全桥逆变电路,采用单极性PWM控 制技术，以“两相导通三相六拍方式控制电动机运行,功率驱动电路,功率驱动电路采用分立元件和三输入与门CD4073构成，具有功率放大、自举升压、硬件互锁、过流快速切断的功能,三、 电流检测电路,系统软件采用模块化设计，在AVR专用集成开发环境AVR studio4.1和编译器winAvR里由C语言编写完成.,C5
20、 电动自行车控制器软件设计,主程序设计,中断服务程序设计,功能模块程序设计,主程序主要完成全局变量的定义、各模块的初始化、电机初始位置的检测、 上电自检、防飞车保护以及速度、电流双闭环的计算。,ATmega48总共有26个中断向量，编号从126，编号越小，优先级越高，不支持中断嵌套,驱动换相模块,柔性电子刹车模块,巡航模块,各保护模块,本章小结,采用计算机控制电力传动系统的优越性在于： （1）可显著提高系统性能 采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高； 可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。 （2）可采用各种控制策略 可变参数PID和PI控制、自适应控制、模糊控制、滑模控制、复合控制,
