1、1第5章 电机的计算机控制电机控制技术是多学科交叉技术电机控制技术是多学科交叉技术以电机作为机械本体以电机作为机械本体融入了电力电子技术融入了电力电子技术微电子技术微电子技术微机控制技术和传感器技术微机控制技术和传感器技术5.1 计算机（微机）在电机控制系统中的作用计算机（微机）在电机控制系统中的作用电机控制系统组成：电机控制系统组成：电机本体电机本体电力电子变流装置电力电子变流装置传感元件传感元件控制单元控制单元控制单元实施的控制方式：模拟控制单元实施的控制方式：模拟( (量量) )控制和数字控制和数字( (量量) )控制控制模拟控制系统结构复杂，控制精度不高，适应性差模拟控制系统结构复杂，
2、控制精度不高，适应性差工业先进国家的交流电机调速系统已基本实现微机数字化控制工业先进国家的交流电机调速系统已基本实现微机数字化控制 电机控制对象电机控制对象微机控制器微机控制器2对给定、反馈等输入进行加工对给定、反馈等输入进行加工按照选定的控制规律形成控制指令按照选定的控制规律形成控制指令输出数字控制信号输出数字控制信号1 1、 微机在电机控制系统中的主要功能微机在电机控制系统中的主要功能(1) (1) 逻辑控制功能逻辑控制功能逻辑判断、记忆功能很强，控制灵活迅速，工作准确可靠逻辑判断、记忆功能很强，控制灵活迅速，工作准确可靠3 (2) (2) 运算、调节和控制功能运算、调节和控制功能利用软件
3、实现各种控制规律利用软件实现各种控制规律如矢量变换控制，转矩直接控制如矢量变换控制，转矩直接控制各种智能控制各种智能控制( (如模糊控制、神经元网络控制如模糊控制、神经元网络控制) )，PWMPWM变频器的优化控制变频器的优化控制( (如电压空间矢量如电压空间矢量PWM)PWM)实时在线运算和控制实时在线运算和控制(3) (3) 自动保护功能自动保护功能电源的瞬时停电、失压、过载电源的瞬时停电、失压、过载电机系统的过流、过压和工作状态进行保护或干预电机系统的过流、过压和工作状态进行保护或干预(4) (4) 故障监测和实时诊断功能故障监测和实时诊断功能实现开机自诊断、在线诊断和离线诊断实现开机自
4、诊断、在线诊断和离线诊断 （5 5）实时动态显示）实时动态显示PCPC机的实时通讯功能，动态显示系统运行情况机的实时通讯功能，动态显示系统运行情况42、电机微机控制具有的优越性、电机微机控制具有的优越性(1) (1) 高精度的稳态调整性能高精度的稳态调整性能(2) (2) 优化的控制质量优化的控制质量选择微机字长提高控制精度选择微机字长提高控制精度数值运算能力，逻辑判断功能，大容量的存储单元数值运算能力，逻辑判断功能，大容量的存储单元实现复杂的控制策略实现复杂的控制策略(3) (3) 实现多种控制策略实现多种控制策略软件实现控制功能，改变软件能实现多种不同控制策略软件实现控制功能，改变软件能实
5、现多种不同控制策略易于扩展和修改，柔性好易于扩展和修改，柔性好(4) (4) 提高系统可靠性提高系统可靠性软件替代硬件软件替代硬件减少元器件数目减少元器件数目简化硬件结构简化硬件结构5.2 电机控制中应用的微机电机控制中应用的微机 PC机或工控机机或工控机单片微型计算机单片微型计算机(单片机单片机)MCUDSP(Digital Signal Processor) 55.3 反馈量的检测反馈量的检测1、电流检测、电流检测用途：电流控制，过流保护用途：电流控制，过流保护（1）电阻采样）电阻采样（3）磁场平衡式霍尔电流检测器（）磁场平衡式霍尔电流检测器（LEM模块）模块）（2）电流互感器）电流互感器
6、2、电压的检测、电压的检测63、转速的检测、转速的检测（1）测速发电机）测速发电机（2）光电脉冲发生器）光电脉冲发生器（3）编码器）编码器 M法（测频法）法（测频法）T法（测周法）法（测周法）160( /min)mnrNT（a）M法测速法测速测频法测频法用在相等的时间间隔内读取光电脉冲发生器发出的脉用在相等的时间间隔内读取光电脉冲发生器发出的脉冲个数来求出转速的方法冲个数来求出转速的方法设脉冲发生器或光电编码器每转输出的脉冲数为设脉冲发生器或光电编码器每转输出的脉冲数为N在给定的时间在给定的时间T内内测得测得m1个脉冲个脉冲转子的转速转子的转速7（b） T法测速法测速测周法测周法用测出光电脉冲
7、发生器或编码器两个输出脉冲之间的时间间用测出光电脉冲发生器或编码器两个输出脉冲之间的时间间隔来求出转速的方法隔来求出转速的方法设时钟信号频率为设时钟信号频率为f（Hz），则时钟周期为），则时钟周期为T=1/f（s）光电脉冲发生器或编码器每转输出光电脉冲发生器或编码器每转输出N个脉冲个脉冲两个脉冲之间的时钟计数为两个脉冲之间的时钟计数为m2则电机的转速为：则电机的转速为：260( /min)fnrNm85.4 数字处理数字处理5.4.2 数字数字PID控制算法控制算法 PID调节器调节器01tPDIdeuKeedtTTdte调节器的输入，即给定量与反馈量之差调节器的输入，即给定量与反馈量之差u调
8、节器的输出调节器的输出KP比例常数比例常数TI积分常数积分常数TD微分常数微分常数离散为差分方程离散为差分方程 连续形式的微分方程连续形式的微分方程用向后差分代替微分用向后差分代替微分00ktiiedteT(1)kkeededtTT为采样周期，为采样周期，k为采样次数为采样次数 差分方程差分方程(1)001kkkkPkiDiIeeuKeeTTuTTPID控制全量算法位置式控制全量算法位置式 9uk第第k次采样时刻调节器的输出值次采样时刻调节器的输出值ek第第k次采样时刻调节器的输入值次采样时刻调节器的输入值e(k-1)第第(k-1)次采样时刻调节器的输入值次采样时刻调节器的输入值PID的递推算
9、法增量式的递推算法增量式 缺点：缺点：占用大量内存，花费机时，无法满足实时性要求占用大量内存，花费机时，无法满足实时性要求第第(k-1)次采样时刻调节器的输出值次采样时刻调节器的输出值1(1)(2)(1)(1)001kkkkPkiDiIeeuKeeTTuTT(1)(1)(2)(2)DkPkkkkkkITTuKeeeeeeTT第第k次与第次与第(k-1)次采样时刻调节器的输出值相减次采样时刻调节器的输出值相减10(1)(1)(1)(1)(2)(2)kkkDkPkkkkkkIuuuTTuKeeeeeeTT优点：优点：只用到只用到ek，e(k-1)，e(k-2)，u(k1)，节省内存和计算时间，节省
10、内存和计算时间 (1)(1)(2)2(1)(1)DDDkkPkPkPkITTTTuuKeKeKeTTTT0(1)DPITTaKTT12(1)DPTaKT2DPTaKT(1)01 (1)2 (2)kkkkkuua ea ea e每输出一次每输出一次uk只需一次加法、一次减法和一次乘法，减少了计算量只需一次加法、一次减法和一次乘法，减少了计算量 其中其中预先根据调节器参数预先根据调节器参数KP、TI、TD及采样周期及采样周期T离线计算出离线计算出11数字PID调节器参数对动态性能的影响及参数整定 香农采样定理，采样周期至少应满足香农采样定理，采样周期至少应满足采样周期采样周期TT越小，模拟越精确，
11、控制效果越接近于连续控制越小，模拟越精确，控制效果越接近于连续控制Tmax为采样信号上限角频率为采样信号上限角频率max 采样周期还受到硬件采样周期还受到硬件A/D转换速度，控制模块最高允许频率以转换速度，控制模块最高允许频率以及计算机运算速度的限制。及计算机运算速度的限制。采样信号可以近似复原模拟信号而不丢失任何信息采样信号可以近似复原模拟信号而不丢失任何信息T越小，越接近于连续量，调节的品质因数越好越小，越接近于连续量，调节的品质因数越好从控制系统扰动和快速响应的性能看，从控制系统扰动和快速响应的性能看，T应该小一些应该小一些给定值的改变可以通过迅速跟踪采样值得到反映给定值的改变可以通过迅
12、速跟踪采样值得到反映不至在随动控制中产生大的延迟不至在随动控制中产生大的延迟从执行机构的特性来看，有时需要输出信号保持一定宽度从执行机构的特性来看，有时需要输出信号保持一定宽度12比例系数比例系数Kp：Kp大，系统动态响应快，静差小。大，系统动态响应快，静差小。Kp过大，系统超调大，产生振荡，稳定性差。过大，系统超调大，产生振荡，稳定性差。积分时间常数积分时间常数TI：偏差的累积，消除静差偏差的累积，消除静差TI越小，积分作用越强越小，积分作用越强增大增大TI有利于减小超调，提高稳定性，但动态响应慢有利于减小超调，提高稳定性，但动态响应慢TI越大，积分累积作用越弱越大，积分累积作用越弱微分时间
13、常数微分时间常数Td：根据偏差的变化率或变化趋势，预先给出适当的控制量，根据偏差的变化率或变化趋势，预先给出适当的控制量，阻止偏差的变化阻止偏差的变化加快跟踪速度，减小超调，克服振荡加快跟踪速度，减小超调，克服振荡13参数的选取有多种方法参数的选取有多种方法 （1）凑试法）凑试法通过通过观察闭环运行曲线通过通过观察闭环运行曲线根据各个参数对系统响应的大致影响反复凑试根据各个参数对系统响应的大致影响反复凑试确定确定PI系数系数得到满意的响应曲线。得到满意的响应曲线。（2）阶跃曲线法）阶跃曲线法在系统开环情况下运用阶跃响应在系统开环情况下运用阶跃响应确定参数初值确定参数初值14PID算法改进(1)
14、遇限削弱积分法(2)积分分离法 155.4.3 数字滤波技术数字滤波技术微机控制系统输入信号和反馈信号往往含有各种干扰微机控制系统输入信号和反馈信号往往含有各种干扰对随机性干扰，可以用数字滤波方法滤除、削弱对随机性干扰，可以用数字滤波方法滤除、削弱通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重软件滤波软件滤波优点：优点：(1) 用程序实现滤波，不增加硬件设备其可靠性高、稳定性好用程序实现滤波，不增加硬件设备其可靠性高、稳定性好(2)可对极低频率可对极低频率(如如0.01Hz)信号滤波，模拟滤波器无法做到信号滤波，模拟滤波器无法做到(3) 根
15、据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数灵活、方便、功能强灵活、方便、功能强常用数字滤波算法常用数字滤波算法 取取N个采样数据个采样数据Xi(i1N)的算术平均值作为滤波结果的算术平均值作为滤波结果 1、算术平均值法、算术平均值法1611NiiyXN特点：特点：滤波效果完全取决于滤波效果完全取决于N值，计算一次平均值需做值，计算一次平均值需做N次采样次采样N较大时较大时 平滑程度高平滑程度高灵敏度低，不能反映采样信号的快速变化灵敏度低，不能反映采样信号的快速变化N小时，灵敏度高，但平滑程度低小时，灵敏度高，但平滑程度低适合于信号本身在某一数值附近作
16、少量上下波动的情况适合于信号本身在某一数值附近作少量上下波动的情况每测量采样一次，算出一个新的算术平均值每测量采样一次，算出一个新的算术平均值不适合采样速度较慢或要求数据计算速率较快的实时系统不适合采样速度较慢或要求数据计算速率较快的实时系统2、滑动平均值法、滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器采用队列作为测量数据存储器队列的长度固定为队列的长度固定为N新采样一次把结果存入队尾新采样一次把结果存入队尾 扔掉原在队首的一个数据扔掉原在队首的一个数据进行一次平均值计算进行一次平均值计算173、防脉冲干扰平均值法、防脉冲干扰平均值法采样信号中会窜入尖脉冲干扰采样信号中会窜入尖脉冲干扰个别采样数据偏
17、离正常值较大，数据不合理个别采样数据偏离正常值较大，数据不合理先对先对N个数据进行比较个数据进行比较去掉最大值和最小值去掉最大值和最小值对剩下的对剩下的(N一一2)个数据进行算术平均个数据进行算术平均N不能太大，常取不能太大，常取4或者或者5，四取二或五取三做平均，四取二或五取三做平均185.5 5.5 基于单片机的无位置传感器无刷直流电动机控制基于单片机的无位置传感器无刷直流电动机控制 5.5.1 无刷直流电动机控制要求无刷直流电动机控制要求反电动势为反电动势为120的平顶波的平顶波三相三相每相电流正负每相电流正负120恒流恒流-100. -50. 0. 50. 100.VoltsBack-
18、EMF Voltage, Phase A -7.50-5.00-2.50 0.00 2.50 5.00 7.50 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00Rotor Position, Motor Electrical CyclesAmpsMotor Current, Phase A 19 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00Rotor Position, Motor Electrical CyclesN-mElectromagn
19、etic Torque -100. -50. 0. 50. 100.VoltsBack-EMF Voltages -7.50-5.00-2.50 0.00 2.50 5.00 7.50AmpsMotor Currents 20AC()cbaiidtdMeL, RL, RL, R()acbiidtdMe()baciidtdMe+-aibiciLine/FilterL, RCCcuiclisrcibpvbmvUALAUBUCLBLC5.5.2 主电路原理图主电路原理图21功率电路功率电路IRF640N电力场效应晶体管电力场效应晶体管IR国际整流器公司国际整流器公司225.5.3 驱动电路驱动电路I
20、R2103S半桥型驱动器件半桥型驱动器件IR国际整流器公司国际整流器公司23死区时间死区时间 245.5.4 控制电路控制电路PIC18F243116K Flash闪存闪存768字节字节SRAM256字节字节EEPROM6通道通道14位位PWM输出输出三个输入捕捉通道三个输入捕捉通道5通道通道10位位A/D转换器转换器使用两路使用两路A/D转换转换 AN0检测直流供电电压检测直流供电电压AN1用于测量温度用于测量温度255.5.5 位置检测电路位置检测电路通过比较三相电压通过比较三相电压 得到三相位置信号得到三相位置信号输入到单片机的捕捉通道输入到单片机的捕捉通道通过位置信号进行逻辑运算通过位
21、置信号进行逻辑运算输出各相换相控制信号输出各相换相控制信号采用采用LM339LM339作为比较器作为比较器ACLHHAACUHHABAUHHBBALHHBCBUHHCCBLHHCInverter GateReference Signals:Phase CPhase APhase BRotationHall CHall AHall BCHCHAHAHBHBH265.5.6 电流检测（过流保护）电流检测（过流保护）两个比较器两个比较器LM358比较器比较器B管脚管脚5与与6的电压大小关系决定的电压大小关系决定7端输出端输出 5，6，7三个引脚三个引脚送到送到PIC18F2431的的12端端过电流保
22、护过电流保护275.5.7 实测波形实测波形285.6 基于基于PC机的电机控制系统机的电机控制系统5.6.1 装置具有的功能装置具有的功能1）电机在闭环控制方式下起动、调速）电机在闭环控制方式下起动、调速2 2）动态显示电机转速、电流及控制信号波形）动态显示电机转速、电流及控制信号波形3）运行过程改变电机给定转速或负载大小）运行过程改变电机给定转速或负载大小4）可以在线修改系统参数（比例系数、积分时间常数）可以在线修改系统参数（比例系数、积分时间常数）PC机系统D/A控制模块受控对象测量装置A/D5.6.2 原理框图原理框图 295.6.4 PC机系统机系统软件包括系统软件和应用软件软件包括系统软件和应用软件应用软件以虚拟仪器软件应用软件以虚拟仪器软件LabVIEW为平台为平台转速PI算法控制模块受控对象转速反馈ugnfnuen电流反馈电流PI算法fiuugieiku5.6.3 A/D及及D/A转换转换通用数据采集控制通用数据采集控制HT6070卡卡模拟量的采集转换及数字量的转换输出模拟量的采集转换及数字量的转换输出 3031
