閉環(huán)-轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

《運動控制系統(tǒng)》§2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律

轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)被調(diào)節(jié)的是n，檢測的誤差是n，要消除的也是擾動對n的影響。故不能控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。電流截止負反饋環(huán)節(jié)只能限制電流的沖擊，不能控制電流保持為某一所需值。

經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，希望盡量縮短啟動、制動和反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，即要求系統(tǒng)動態(tài)性能好，單閉環(huán)就不能滿足要求了。在過渡過程中，保持希望I（T）為允許最大值，使系統(tǒng)以最大加速度啟動，達到穩(wěn)態(tài)n后，又讓I立即降下來，使轉(zhuǎn)矩與負載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。起動過程為實現(xiàn)在允許條件下快速啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，因此采用電流負反饋。希望在啟動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋。正常運行時為轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用。使系統(tǒng)既存在n和Id兩種負反饋，又使它們在不同階段起作用→雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG內(nèi)環(huán)外環(huán)ni轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-22轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR都是具有限幅作用的PI調(diào)解器，以電流反饋為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán)。

ASR和ACR的作用：

1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用：

（1）主導調(diào)節(jié)器，使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）輸出限幅值決定電機允許的最大電流。

2).電流調(diào)節(jié)器ACR的作用：

（1）內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化。（2）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）電機過載/堵轉(zhuǎn)時，限制Idlmax，起快速自動保護作用。調(diào)節(jié)器的輸出限幅作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定電流給定電壓的最大值Idm；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。

當ASR不飽和時，ASR成為主導的調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用。Ks1/CeUcIdEnUd0++-IdRR

ACR-UiUPE

當ASR飽和時，相當于電流單閉環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)“只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋”雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電流反饋系數(shù)

Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE

二、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定參數(shù)計算1、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性穩(wěn)態(tài)分析：維持電動機轉(zhuǎn)速不變是由ASR來實現(xiàn)。ACR為負反饋，它有使靜特性變軟的趨勢，但在系統(tǒng)中還有轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)包在外面，電流負反饋對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說相當于一個擾動作用，只要ASR的放大倍數(shù)足夠大，而且沒有飽和，則電流負反饋的擾動作用就受到抑制。整個系統(tǒng)的本質(zhì)由外環(huán)速度調(diào)節(jié)器來決定。即：當ASR不飽和時，電流負反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全被ASR的積分作用所抵消了；一旦ASR飽和，當負載電流過大，系統(tǒng)實現(xiàn)保護作用使n下降過大時，轉(zhuǎn)速環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用，這時系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜特性便會呈現(xiàn)出很陡的下垂特性。各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算:穩(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器的作用使△U=0，因此：n0IdIdmIdNOnBCAAB段AB段：描述了ASR不飽和、ACR不飽和時的靜特性（轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)），電流的大小從理想空載狀態(tài)Id=0一直延續(xù)到Id=Idm（水平），表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。BC段（U*i<U*im，Id<Idm）BC段：描述ASR飽和后（ACR不飽和）的電流單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，表現(xiàn)為電流無靜差。(n<n0

)ASR的限幅值Uim由設(shè)計者選定——限定了最大電流值Idm。2、穩(wěn)態(tài)參數(shù)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出：

電流反饋系數(shù)：

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：

電流調(diào)節(jié)器輸出：

3、ASR的退飽和：當ASR調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm，若負載電流減小，IdL≤Idm，則使轉(zhuǎn)速上升，nn0，n≤0，ASR反向積分，使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和，又回到線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，結(jié)果使系統(tǒng)運行在靜特性的AB段。U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E三、數(shù)學模型和動態(tài)性能分析1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型2、雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動過程分析：在恒定負載條件下n的變化過程受電動機轉(zhuǎn)矩（電流）的影響，故對電動機啟動過程n=f(t)的分析，離不開對Id(t)

的研究。波形分析：電流波形：Id從0增長到Idm，在一段時間維持Idm值不變，以后又下降經(jīng)調(diào)節(jié)后到達穩(wěn)態(tài)值IdL

。轉(zhuǎn)速波形：先緩慢上升，以后以恒加速上升，最后經(jīng)調(diào)節(jié)到達給定值U*。啟動過程三階段：

I.電流上升階段（ASR不飽和）

II.恒流升速階段（ASR飽和）

III.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ASR退飽和）啟動過程分析：按P.59分析：電流上升階段（0~t1)恒流升速階段（t1~t2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的特點：（1）飽和非線性控制：啟動過程ASR存在飽和與不飽和兩種完全不同的工作狀態(tài)，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，不能用線性控制理論分析或設(shè)計整個系統(tǒng)，只能分段線性化處理。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)：第III階段ASR退出飽和，n必然超調(diào)，如何控制。（3）準時間最優(yōu)控制(有限制條件的最短時間控制)：實際的啟動過程在第I和第III階段Id不恒流，但只占啟動過程的很小部分，故稱準時間最優(yōu)控制。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId

IdL4、動態(tài)抗擾性能分析：

調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能，主要是抗負載IdL擾動和抗電網(wǎng)電壓±?Ud擾動。

1）.抗負載擾動：作用點在電流環(huán)之外，ACR對其無抗擾作用，依靠ASR進行抑制（與單閉環(huán)相同）?！?Ud2）.抗電網(wǎng)電壓擾動：

引起Ud0波動，在電流環(huán)內(nèi)，通過電流反饋及時調(diào)節(jié)（必單閉環(huán)好），故雙閉環(huán)系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓擾動的能力較強。§2.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn)一、模擬調(diào)速與數(shù)字控制系統(tǒng)：模擬直流調(diào)速系統(tǒng):

轉(zhuǎn)速的給定和反饋都是模擬形式給出。

優(yōu)點:物理概念清晰;控制信號流向直觀。缺點:控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路上，線路復雜、通用性差;控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響；檢測裝置和給定裝置的誤差都會使轉(zhuǎn)速偏離所需要的值。微型計算機數(shù)字控制系統(tǒng):

在數(shù)字集成電路基礎(chǔ)上實現(xiàn)。采用數(shù)字給定、數(shù)字測速裝置，都用數(shù)字脈沖的形式實現(xiàn)。硬件電路標準化程度高，無溫漂影響，抗擾動能力強；控制規(guī)律體現(xiàn)于軟件，更改靈活方便，可進行邏輯判斷和復雜運算。調(diào)速精度大大提高。具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能。1、微機數(shù)字控制系統(tǒng)的特點：微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化。微機無法把任何時間的給定信號和反饋信號隨時輸入，只能在采樣開關(guān)閉合時才能輸入和輸出信號，因此必須在采樣時刻把連續(xù)信號變成脈沖信號，即信號的離散化。離散化:對模擬的連續(xù)信號采樣形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號。數(shù)字化:

離散信號經(jīng)保持器保持后，還是離散的模擬信號，不能直接送入計算機。還須數(shù)字量化，用一組數(shù)碼（如二進制數(shù)）來逼近離散模擬信號的幅值，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。Na(nT)（電壓）Nd(nT)（數(shù)碼）離散化:導致信號在時間上的不連續(xù)性；數(shù)字化:導致信號在量值上的不連續(xù)性。OnN(nT)保持離散化和數(shù)字化的負面效應:

產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。產(chǎn)生滯后效應，提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、Shannon采樣定理:為使離散數(shù)字信號能夠不失真地復現(xiàn)連續(xù)的模擬信號，對系統(tǒng)采樣頻率有一定要求。

Shannon采樣定理:

采樣頻率fsam

應不小于信號最高頻率fmax

的2倍，即：

fsam

≥

2fmax

。經(jīng)采樣及保持后，原信號的頻譜不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)保持原有的性能。實際系統(tǒng)中信號的最高頻率很難確定，對非周期性信號（系統(tǒng)的過渡過程），頻譜為0至∞的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無窮大。因此，難以直接用采樣定理來確定系統(tǒng)的采樣頻率。3、系統(tǒng)采樣頻率的確定：在一般情況下，可以令采樣周期

Tmin

為控制對象的最小時間常數(shù)?；蛴貌蓸咏穷l率sam

表示：c為控制系統(tǒng)的截止頻率。二、轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化：數(shù)字測速精度高，分辨能力強，廣泛用于調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)。1、旋轉(zhuǎn)編碼器：光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，與電動機同軸相連。當電動機轉(zhuǎn)動時帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。分類：

絕對式：在碼盤上分層刻上表示角度的二進制數(shù)碼，通過接收器將該數(shù)碼送入計算機。常用于檢測轉(zhuǎn)角，伺服系統(tǒng)中常用。

增量式：在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵。電動機旋轉(zhuǎn)帶動碼盤轉(zhuǎn)動，記錄下脈沖編碼器在一定時間間隔內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，就可計算出這段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。發(fā)光裝置與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4，采用簡單鑒相電路就可以分辨出轉(zhuǎn)向。圖2-29增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

2、數(shù)字測速精度指標：（1）分辯率（測速精度）：衡量一種測速方法對被測轉(zhuǎn)速變化的分辨能力。改變一個計數(shù)字所對應的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率Q。

Q=n2-n1

Q越小，測速裝置的分辯能力越強。（2）測速誤差率（測速準確性）：轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差Δn與實際值n之比。用測量值與實際值的相對誤差來表示，

δ越小，準確性越高。3、數(shù)字測速方法：采用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法有：

M法—脈沖直接計數(shù)法

T法—脈沖時間計數(shù)法

M/T法—脈沖時間混合計數(shù)法（1）M法測速（測頻法測速）：記錄一個采樣周期Tc時間內(nèi)

旋轉(zhuǎn)編碼器PLG發(fā)出的脈沖數(shù)M1，則：

Z=倍頻系數(shù)×PLG光柵數(shù)，即旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù)。

M法測速的分辨率和誤差率：

Q與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。減小Q的方法：（1）Z↑：選用脈沖數(shù)較多的旋轉(zhuǎn)編碼器（制造能力限制）（2）TC↑：加大采樣周期，受采樣定律限制。編碼器輸出脈沖與采樣脈沖的邊沿不可能一致，存在測速誤差。最大可能誤差小于一個脈沖。

M1與n成正比，n越低，M1越小，δ越大，測速精度越低?！鶰法測速適用于高速。分辨率：誤差率：

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間段內(nèi)有m1

個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1例：一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min=768r/minM法測速舉例：（2）T法測速（測周法測速）：測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間Tt來計算出轉(zhuǎn)速，與M法相反。記錄的是PLG一個脈沖間的高頻脈沖個數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，則T法測速的分辨率和誤差率：分辨率：

Q與n有關(guān)，n越低，Q越小，測速裝置的分辨率越強。誤差率：低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2多，故誤差率小，測速精度高。

→

T法測速適用于低速段。T法測速舉例：

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60fc/（Nm2）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min（3）M/T法測速：綜合M法和T法各自優(yōu)點。M/T法既檢測Tc

時間內(nèi)PLG輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測相同時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2。檢測的關(guān)鍵是要求實際的檢測時間（檢測周期）與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖嚴格一致。M/T法測速時，計數(shù)值M1和M2都在變化。分高速和低速兩種情況討論分辨率和測速精度。高速時，T≈TC，認為M2

不會變化，分辨率則與M法相同；低速時，M1=1，M2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與T法相同?！?/p>

M/T法在高速和低速都具有較強的分辨能力。誤差率：

低速時趨向于T法，高速時M2較大，且在M1次中最多丟失一個高頻時鐘脈沖，故誤差率小。

M/T法測速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測速精度高。三、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

兩項內(nèi)容：模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化；改進的數(shù)字PI算法1、模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化：調(diào)節(jié)器是轉(zhuǎn)速或電流閉環(huán)控制的核心部分。數(shù)字控制可以在模擬控制的基礎(chǔ)上進行數(shù)字化。當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。按模擬設(shè)計方法求出速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得到它們的傳遞函數(shù)。然后根據(jù)傳遞函數(shù)寫出調(diào)節(jié)器的時域方程，再將此表達式離散化，最終得到相應的差分方程。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：PI調(diào)節(jié)器時域表達式：其中KP=Kpi

為比例系數(shù)

KI

=1/為積分系數(shù)

PI調(diào)節(jié)器的差分方程：將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為：其中，Tsam為采樣周期

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有兩種算式：絕對式和增量式1）位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法：上式即為位置式算法。結(jié)算結(jié)果是輸出的絕對數(shù)值，它的每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，需要過去所有偏差的累加值。積分部分：比例部分：

PI調(diào)節(jié)器的輸出：2）增量式PI調(diào)節(jié)器算法：PI調(diào)節(jié)器的輸出：增量式算法只需要現(xiàn)時和上一個采樣時刻的偏差值，在計算機中多保存上一拍的輸出值即可。限幅值設(shè)置：增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅；位置式算法必須設(shè)置積分限幅和輸出限幅，缺一不可。3）PI調(diào)節(jié)器算法流程：2改進的數(shù)字PI算法：微機數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強的邏輯判斷和數(shù)值運算能力，充分應用這些能力，可以衍生出多種改進的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。主要有積分分離算法和分段PI算法積分分離算法：模擬PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，只要偏差存在，P和I就同時起作用，因此在滿足快速調(diào)節(jié)功能的同時，會不可避免地帶來過大的退飽和和超調(diào)，甚至導致系統(tǒng)振蕩?；舅枷耄涸谖C數(shù)字控制系統(tǒng)中，把P和I分開。當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退飽和超調(diào)。四、微機數(shù)字控制系統(tǒng)1、微機數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量：可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。

模擬輸入量必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而模擬輸出量必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換才能得到。數(shù)字量是量化了的模擬量，可以直接參加運算。1）系統(tǒng)給定:a)模擬給定

b)數(shù)字給定

模擬給定和數(shù)字給定

2）狀態(tài)檢測:

作用:構(gòu)成反饋控制，保護和故障診斷信息的來源。a）轉(zhuǎn)速檢測：模擬和數(shù)字檢測方法。b）電流和電壓檢測：一般用A/D轉(zhuǎn)換。3）極性轉(zhuǎn)換:

多數(shù)狀態(tài)量為雙極性，A/D轉(zhuǎn)換電路一般是單極性，須進行極性轉(zhuǎn)換。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到以偏移碼表示的數(shù)字量，再用軟件變換為原碼或補碼。

4）輸出變量:

用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。2、微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速的硬件系統(tǒng)下標“dig”表示數(shù)字量

微機數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖主回路:微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器;晶閘管可控整流器檢測回路:檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測（數(shù)字測速）。故障綜合:對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機，以便及時處理，避免故障進一步擴大。數(shù)字控制器：專為電機控制設(shè)計的微處理器。除了帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能。如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等.3、微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制軟件

主要有：主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)子程序等。主程序：

完成實時性要求不高的功能，系統(tǒng)初始化后，鍵盤處理、刷新顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。

初始化子程序：

硬件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。中斷服務(wù)子程序：

實時性強，由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級別最低）轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)啟動測速電流調(diào)節(jié)中斷子程序：電流反饋電流調(diào)節(jié)PWM生成故障保護中斷子程序：封鎖PWM輸出分析故障原因顯示故障并報警§2.4調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法《運動控制系統(tǒng)》

在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計中，設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能。

靜態(tài)性能分析與相關(guān)調(diào)節(jié)器的設(shè)計在前述章節(jié)已經(jīng)介紹，本節(jié)主要介紹控制系統(tǒng)在動態(tài)設(shè)計與分析中的調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法。工程設(shè)計方法的基本思路:

設(shè)計工作分兩步走：1.選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)典型化，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。

2.再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇系統(tǒng)校正控制對象

調(diào)節(jié)器

輸入輸出典型系統(tǒng)

輸入輸出選擇調(diào)節(jié)器，將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。一、控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標

1.跟隨性能指標：在零初始條件下，用系統(tǒng)輸出量C(t)對輸入信號R(t)的動態(tài)性能來衡量，通常是以在單位階躍給定信號下的過渡過程作為典型的跟隨過程。2.抗擾性能指標：調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運行下突加一個使輸出量降低（或上升）的擾動量F后，輸出量恢復的過程就是一個抗擾過程。調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。

系統(tǒng)典型的階躍響應曲線：±5%（或±2%）

0Otrts階躍響應跟隨性能指標:

tr

—上升時間，系統(tǒng)動態(tài)相應的快速性

—超調(diào)量，相對穩(wěn)定性

ts

—調(diào)節(jié)時間，反映系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性突加擾動的動態(tài)過程和抗擾性能指標±5%（或±2%）

O

tmtvCb抗擾性能指標:

Cmax

—動態(tài)降落

tv

—恢復時間二、典型系統(tǒng)性能指標與參數(shù)間的關(guān)系簡化工程設(shè)計方法：工程設(shè)計中，從無穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性兩方面考慮，通常把I型和Ⅱ型系統(tǒng)作為典型系統(tǒng)，作為系統(tǒng)設(shè)計的目標。實際設(shè)計時，將實際系統(tǒng)校正成典型系統(tǒng)，再根據(jù)典型系統(tǒng)的參數(shù)與動態(tài)性能指標間的關(guān)系，按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)進行計算就可以了。本節(jié)主要講解典型I型和Ⅱ型系統(tǒng)的比較。典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調(diào)小，但抗擾性能稍差，典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大，抗擾性能卻比較好。

1、典型I型系統(tǒng)

T—系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。選擇參數(shù)：保證或，使系統(tǒng)足夠穩(wěn)定。（1）典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與參數(shù)的關(guān)系輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入

穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為

。

I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。動態(tài)跟隨性能指標：參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超調(diào)量上升時間tr峰值時間tp

相角穩(wěn)定裕度

截止頻率c

1.00%

76.3°0.243/T

0.81.5%6.6T8.3T69.9°0.367/T0.7074.3%4.7T6.2T

65.5°0.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.2°0.596/T0.516.3%2.4T3.2T

51.8°0.786/TT往往是控制對象本身固有的，唯一可變的是K（2）典型I型系統(tǒng)的抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系典型I型系統(tǒng)

擾動作用下的典型I型系統(tǒng)

只討論抗擾性能時，輸入作用

R=0，僅

取，則輸出變化量：當KT=0.5時

55.5%

33.2%

18.5%12.9%tm

/T2.83.43.84.0tv

/T14.721.728.730.4典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系（KT=0.5,Cb=FK2/2)2、典型Ⅱ型系統(tǒng)

保證系統(tǒng)足夠穩(wěn)定或（1）典型II型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關(guān)系

2個積分環(huán)節(jié)。時間常數(shù)T是控制對象固有的，而待定的參數(shù)有兩個：

K和。

定義中頻寬：，表示斜率為20dB/dec的中頻的寬度，是一個與性能指標緊密相關(guān)的參數(shù)。開環(huán)傳遞函數(shù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性0-20

–40

-40

/s-1c=1–20dB/dec–40dB/dec–40dB/dec中頻寬參數(shù)（K和）之間的一種最佳配合20lgK=40(lgω1-lg1)+20lg(lgωc-lgω1)=20lgω1ωc

故：K=ω1ωcK使開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，反映快速性。γ=180°-180°+acrtanωcτ-acrtanωcT=acrtan

ωcτ-acrtanωcT

若τ比T大得越多，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度越大。采用“振蕩指標法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。

振蕩指標法根據(jù)Mr最小準則，推導出各頻率之間的關(guān)系：對應的最小閉環(huán)幅頻特性峰值是：

P.78上表2-3列出了不同頻寬h值時計算得到的Mrmin值和對應的頻率比。

確定h之后，根據(jù)可求得K：

τ和K算式是工程設(shè)計方法中計算典型11型系統(tǒng)參數(shù)的公式。按動態(tài)性能指標要求確定h，然后計算K和τ，并由此計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00（a）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

（2）典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標和參數(shù)的關(guān)系在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。

（b）動態(tài)跟隨性能指標（按Mrmin準則確定參數(shù)關(guān)系）

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55

233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201h=5時的調(diào)節(jié)時間ts最短

（3）典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數(shù)的關(guān)系+0-階躍擾動的輸出響應：在階躍擾動下，取輸出量基準值為：Cb=2FK2T典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系

h345678910

Cmax/Cbtm

/T

tv

/T

72.2%

2.4513.6077.5%2.70

10.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85（參數(shù)關(guān)系符合最小Mr準則）三、雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計

用工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器，先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個小慣性環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E-IdL(s)Ud0(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

T0is+1ASR1

T0ns+1

Tons+1U*n(s)n(s)電流環(huán)

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（實際設(shè)計）：E(s)電流、轉(zhuǎn)速檢測信號中常含有交流分量和干擾信號，須增加低通濾波→一階慣性環(huán)節(jié)。為平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)。圖2-44雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Toi：電流反饋濾波時間常數(shù)Ton：轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化：由圖2-44，反電動勢E與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計帶來麻煩，須簡化。因電磁時間常數(shù)Tl遠小于機電時間常數(shù)Tm，轉(zhuǎn)速變化比電流變化慢得多，因此，對電流環(huán)的電流瞬變過程來說E基本不變，△E≈0，即暫且把E的作用去掉，得到忽略E影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖（圖2-45a)，等效簡化后得：1、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計設(shè)計分為以下幾個步驟：1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化；2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇；3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算；4）電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。圖2-45簡化后的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)（2）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇：在圖2-45b中，存在3個慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)Tl、Ts、Toi，且Ts和Toi一般都比Tl小得多。高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理原則：可把高頻段的Ts和Toi等效地用一個小時間常數(shù)T∑i的慣性環(huán)節(jié)來代替。

T∑i=Ts+Toi

電流環(huán)以跟隨性能為主，故按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，ACR選PI調(diào)節(jié)器。選擇τi=Tl，則：KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)（3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算：校正后的電流環(huán)的開環(huán)結(jié)構(gòu)框