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第8章电机的计算机控制技术本章重点：1.计算机及其控制技术的基本知识和电机计算机控制系统的基本组成2.计算机控制技术在电机控制系统中的应用8．1计算机控制技术基础•8．1．1计算机控制系统的组成及特点1．计算机控制系统的组成计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、被控对象和常用的外设。2．计算机控制系统的控制过程•（1）信息的获取•（2）信息的处理•（3）信息的输出3．计算机控制系统的特点•（1）灵活性好•（2）实时性好•（3）存储能力强•（4）逻辑运算能力强•（5）精度高•（6）稳定性好•（7）可靠性高•（8）具有自诊断能力•（9）抗干扰能力强•（10）多功能4.常用计算机控制方式•对不同的被控对象和不同的控制要求，计算机控制系统所采用的控制方式有不同的控制方案。根据计算机控制系统的功能及结构特点，可以将机械系统的计算机控制系统分为操作指导控制系统、直接数字控制系统(DDC)、监督控制系统(SCC)、分布控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)、计算机集成制造系统(CIMS)等。8．1．2常用的计算机•数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor)•单片微型计算机(单片机)•可编程序控制器(ProgrammableLogicalController)简称PLC1．基本概念•（1）采样•（2）零阶保持器•（3）z变换•（4）离散系统的数学描述8．1．3数字控制器2．数字控制器的设计•数字控制器的连续化设计是通过近似将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。（1）数字控制器的连续化设计（2）数字控制器的离散化设计方法•由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法。3.数字PID控制•PID是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写。在过程控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称PID调节器1）控制算法•控制算法建立在控制对象的数学模型上，即描述各输入量与各输出量之间的数学关系。控制算法直接影响控制系统的调节品质，是决定整个系统性能指标优劣的关键。2）数字PID控制算法•由于PID控制具有参数整定方便、结构改变灵活(如PI、PD、PID结构)、控制效果较佳的优点，而获得广泛的应用。特别是当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，采用PID控制则可以获得良好的控制效果。•在计算机控制系统中，数字PID控制器是用计算机软件按PID控制规律编制的应用程序，因此数字PID控制器也称为数字PID控制算法。8．2电机计算机控制系统的组成与特点•8.2.1电机计算机控制系统基本组成电机计算机控制系统一般由电机、变流装置、传感器和控制单元所构成。控制方式有模拟(量)控制和数字(量)控制两种，控制硬件可以是DSP、单片机、PLC等不同方式。图8－1微机控制电机系统框图8.2.2电机微机控制的功能和特点•1．电机控制系统中微机实现的主要功能•(1)逻辑控制功能•(2)运算、调节和控制功能•(3)自动保护功能•(4)故障监测和实时诊断功能2．电机采用微机控制的特点•1)具有高精度的稳态调整性能•2)较高的控制质量•3)方便灵活地实现多种控制•4)系统可靠性高•5）控制的运算速度可能比较慢8．3步进电机的计算机控制•8．3．1步进电动机的控制方式•开环控制系统•闭环控制系统1．步进电动机的开环控制•步进电动机的开环控制有串行和并行两种方式。1）串行控制图8－2串行控制功能框图2）并行控制图8－3并行控制功能框图2．步进电动机的闭环控制•图8－4步进电机闭环控制功能框图8．3．2步进电动机的DSP控制•DSP可以实现步进电机的加、减速控制。对步进电机的加、减速控制常用的是查表法。就是将相邻脉冲之间的时间间隔放入一张表中，每发一个脉冲就依次从表中取出相应的延时数据，从而使步进电机实现变速。查表法控制简单，但在速度精度要求很高的情况，延时表很大，并且控制不够灵活，在最大速度或者加速度改变以后都要修改延时数据表，运算量很大。8．3．3步进电动机的单片机控制•步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下：•(1)控制换相顺序•(2)控制步进电动机的转向•(3)控制步进电动机的速度1.脉冲分配•实现脉冲分配(也就是通电换相控制)的方法有两种：软件法和硬件法•软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O向驱功电路发出控制脉冲•所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来进行通电换相控制。2．速度控制•步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。对于软件脉冲分配方式通常采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。•第一种是通过软件延时的方法•第二种是通过定时器中断的方法3．运行控制•步进电动机的运行控制包括位置控制和加、减速控制。步进电动机的位置控制，是指控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。(1)位置控制•对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号。(2)加、减速控制•步进电动机驱动执行机构从A点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。•如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电动机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下来，出于惯性作用，步进电动机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果非常缓慢的升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以，对步进电动机的加减速有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度移动到指定位置。