数字伺服系统的设计
电机伺服控制系统数字化设计
第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版)J ournal of Shanxi Dat ong Univers i t y(Nat ural Science) Vol.23.No.1Aug.2007电机伺服控制系统数字化设计史建华(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同037009)摘 要:传统电机伺服控制系统的设计一般均采用模拟电路来实现,本文介绍一种数字化设计方法.关键词:伺服系统 数字化 多环控制中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120050203 一般的自动控制系统中,为了获取控制信号,要将被控制量y 与给定值r 相比较,以构成误差信号e =f -r.直接利用误差进行控制,使系统趋向减小误差,以至使误差为零,从而达到使被控制量y 趋于给定值r 的控制目的.这种控制由于被控制量是控制系统的输出,被控制量的变动又反馈到控制系统的输入端,与作为系统输入量的给定位相减,所以称为闭环负反馈系统[1],如图1所示.图1 闭环控制系统框图如果把图1用计算机来代替,就可以构成计算机控制系统[1],其基本框图如图2所示.图2 计算机控制系统框图本文以某项目中电机伺服系统控制环数字化为例分析电流、速度、位置环的数字化设计.1 电机伺服系统控制环概述 电机伺服系统由位置环、速度环和电流环三个闭环组成,是多环控制系统.可以采用设计多环系统的一般方法来设计此控制系统:从内环开始,逐步向外扩大.首先设计电流环,把电流环看作速度环中的一个环节,再设计速度环,最后将电流环和速度环看作位置环中的一个环节设计位置环.本系统所采用电动机参数为如下:电动机额定功率:300W ;电动机额定转速:2000r/min ;电动机额定电流:2.5A ;电动机额定电压:110V ;电动机定子电阻Rs :0.85Ω;电动机定子电感L :7.2m H ;电磁时间常数TL :3.5m s ;机械时间常数TM :1.3ms ;转动惯量J :(1.0×10-3)kg ·m 2.1.1电流环设计传统电流环的设计常采用P I 调节器,可按典型系统的校正方法设计参数[2].从稳态要求和动态要求上看,希望电流环做到无稳态误差,保持电枢电流在起动过程中不超过允许值,因而不希望产生超调,收稿日期225作者简介史建华(82),男,山西宁武人,硕士,讲师,研究方向计算机控制:2007011:197:.或者超调越小越好,可以采用典型Ⅰ系统校正.由于电流环有另一个重要作用是对电源电压波动的即时调节,为提高抗扰动性,系统采用典型Ⅱ系统校正.图3为电流环动态结构简图[3].图中各参数变量意义如下:K p i :电流环P I 调节器比例系数;τi :电流环PI 调节器时间常数;β:电流反馈系数;T i :电流环时间常数;K s :功率放大系数.图3 电流环动态结构简图按典型Ⅱ系统校正电流调节器参数计算公式如下:比例系数:K p i =(h +1)R S T L2h K s βT i积分系数:K Ii =K p i /h各参数取值为:h 为中频宽,工程设计中一般为5,功率放大倍数K s =310,电流反馈系数β=12×2.5=0.283,T 1=125μs ,计算得:K p i =0.163,K Ii =0.54.1.2速度环设计在速度环设计时,把电流环等效为速度环的一个中间环节进行设计,同样出于抗扰动性的考虑,系统采用典型Ⅱ系统校正,图4为其动态结构简图[3].图4 速度环动态结构简图图中各参数变量意义如下:K p v :速度环P I 调节器比例系数;τv :电流环PI 调节器时间常数;α:速度反馈系数;T v :速度环时间常数;I f 扰动量;电机电动势常数按典型Ⅱ系统校正速度调节器参数计算公式如下:比例系数:K pv =(h +1)βC e T M2h αR S T v积分系数:K Iv =K pv /h公式中h =5,C e =0.06688v/rpm ,α=1/10,T v =1ms ,由此可计算得K pv =0.0748,K I v =0.01496.1.3位置环设计自从计算机进入控制领域以来,用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统,不仅可以用软件实现PID 控制算法,而且可以利用计算机的逻辑功能,使PID 控制更加灵活.数字PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法,在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用.将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,由计算机输出被控参数对被控对象进行控制,故称其为P ID 控制器.高性能的稳定器既要保证很强的抗干扰性,也要考虑它的快速、稳定性,以往采用基于传统PID 设计的控制器不能够兼顾各项的平衡.2 电机伺服系统控制环数字化电路设计2.1电流采集电路在电机伺服多环控制系统中,电流环的性能对整体性的影响较大,而电流反馈回路对电流环而言是至关重要的.由于霍尔元件输出的是弱电流信号,因此,就将该电流信号转换成电压信号,然后经过滤波放大处理,由于霍尔电流传感器的输出为有正负向的电流信号,而多数片内A/D 转换器的输入为0～5V 的电压信号,因此要有偏移电路.将霍尔元件输出的小电流信号首先变换为电压信号,再经放大滤波后进入A/D 通道.将有正负极性的电压信号变换成单片机片内A/D 转换器所能够接收的单极性电压信号,为防止电压过高或者过低,设计了由二极管组成的限幅电路,如图5.图5 电流采集处理电路·15·2007年 史建华:电机伺服控制系统数字化设计 :C e :.设计所用滤波放大电路由L F356组成的电路如图5所示,经过电流到电压转换输入到片内A/D 转换器.电流采集电路参数如图5所示:R 1=R 2=R 4=R 5=R 6=10K Ω,R 3=50KΩ,R 7=R 8=R 9=R 10=10K Ω.2.2速度采集电路在电机伺服控制系统中,由于速度陀螺仪输出的-10V ～+10V 的电压信号,因此需要将陀螺仪输出的双极性电压转换为单片机片内A/D 转换器能够接收的单极性电压信号范围0～5V ,为防止电压过高或者过低,设计了由二极管组成的限幅电路.如图6速度采集处理电路.图6 速度采集处理电路速度陀螺仪输出信号通过AD704放大器经过分压、跟随、限幅电路,使得陀螺输出信号与单片机片内的A/D 转换器的输入输出阻抗匹配.AD704的输入阻抗都是兆欧级,这可使得陀螺仪信号无偏差的输入到单片机片内A/D 转换器. 速度采集电路参数如图6所示R 25=270KΩ,R 26=10K Ω,R 27=20K Ω,R 28=20K Ω,R 29=10KΩ,R 30=20K Ω,R 32=5.6K Ω.2.3位置采集电路电机伺服控制系统中,位置环处在三环的最外一环,是稳定器不可缺少的一环,在系统起着承前起后的作用.位置采集系统所采集的信号是由电机电气装置输出的自整角机信号,因此需要将此信号转换为计算机可以接收的数字信号,本设计采用数字旋转变压器与单片机接口电路可以准确采集到位置信号.如下图7为位置采集处理电路.图7 位置采集处理电路3 结束语 通过上面的介绍可以得出电机伺服系统控制环的数字化设计,这个数字电路充分体现了计算机控制系统的优越性,本电路已在某项目中得到应用,系统工作稳定,实现了电机伺服系统的数字化要求.参考文献[1]冯勇.现代计算机控制系统[M ].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.12219.[2]K a rl J.Astrom BjornWinenma puter 2Co ntroled Systems Theo ry and Design (Third EDITION )[M ].[S.I.]:P renticeHall ,Inc ,1988.2582318.[3]陈伯时.电力拖运自动控制系统[M ].北京:机械工业出版社,2000.102108.Digital Design of Motor S ervo Control SystemS HI Jian 2hua(School of Physics a nd Electronic s Science ,Sha nxi Datong Univer sity ,Dato ng Sha nxi 037009)A bstract :Tra ditional motor control system is based on realization of a nalog circuit.This paper introduces the method of digital de sign.K y y ;z ;2·25· 山西大同大学学报(自然科学版) 2007年e wor d s :servo s stem digitali atio n multip le lo o p co nt ro l。
EMA 数字伺服控制系统设计与分析
电机 的机 械运 动部 分可进 行 如下表 述 ：
Ｔ ｅ＝Ｊ ｍ Ｐ ｏ ｔ ＋ ＋Ｂ ０ ９ （ ４ ）
正常工作 时 ， 离合器保持 结合 。 当 出现 故 障
收稿 日期 ： ２ ０ １ ４—０ ２—２ ６
式 中： ． ， 为 电机转 子 的转动 惯量 ； ｔ ｏ 为 电机转 子 的
关 键词 ： Ｅ ＭＡ； 伺服 控 制 ； 永磁 同步 电机 ； Ｐ Ｉ Ｄ
中图分类 号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标识 码 ： Ａ 文章 编号 ： ２ ０ ９ ５— ５ ０ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ４） ０ ３— ０ ０ ３ ６— ０ ５
在２ ０世 纪 ６ ０年 代 ， 美 国空 军 、 海军与 Ｎ Ａ Ｓ Ａ 共 同展 开了 电动作 动 器计 划 （ Ｅ Ｐ Ａ Ｄ） ， 拉 开 了机 电 作 动器 （ Ｅ Ｍ Ａ） 研制 的序幕 ¨ 。ＭＯ Ｏ Ｇ公 司在 Ｅ ＭＡ 应用 方 面有着 ３ ０多年 经 验 ， 可 以提供 完 整 的解 决 方案 。我 国对 Ｅ ＭＡ的研究 仍处 于发展 时期 。北京
不断 提高 。
Ｊ ＝ Ｒ ｍ ＋ ｐ 一 ∞ ｒ ｔ ｆ ，
＝
（ １ ）
Ｒ ｉ ｇ＋ ｐ ｑ ， ｇ—ｔ ｏ
磁链 方 程为 ：
１ Ｅ ＭＡ伺 服 系统 简 介
本Ｅ ＭＡ伺 服 系 统 的 机 械 结 构 简 图 如 图 １所
』
ｔ ｑ ， ｑ＝ Ｌ ｑ ｉ
＋ ｒ
航空 航天 大学 、 南京航 空航 天大学 和西北 工业 大学 在 此方 面开展研 究较 早 ， 并 取得 了一定 成果 Ｊ 。
时， 离合器脱开 ， 切断扭矩输出， 起到保护作用。传 动部分采用滚柱丝杠 ， 相比滚珠丝杠具有更强的负 载能力 和更久 的使 用寿命 。
基于DSP的全数字直流伺服电动机位置随动系统的设计
的干预 就 能进 行系 统诊 断 和错 误修 正 。
步完 善 ， 旦形 成批 量生 产 ， 制装 置 的价格 会 一 控
各种大功率 电子器件， Ｉ ￣ ＭＯＳ Ｅ 、 Ｔ Ｆ ＴＩ ＧＢ 、 Ｃ ＭＦ Ｔ ＭＣ 和Ｓ Ｔ 的使用 ， 有微 机处理器 Ｏ Ｅ 、 Ｔ Ｔ等 还 ＤＳ 等硬件 的应用 ， Ｐ 为电动汽车的 电动机控制方 法和智能控制提供重要保证 。
・２ ８・ ２ ０ ０ ６年第 １期 《 机 技 术》 电
２ 陈清 泉等 编 著 ． 代 电 动汽 车技 术 ． 京理 工 大 学 出版 社 ，０ ２ 现 北 ２０ ． ３ 陈清 泉 等编 译 ． 合 电动 车 辆基 础 ． 京理 工大 学 出版 社 ，０ １ 混 北 ２０ ． ４ 张 煜 等 ． 电动汽 车 核心 技 术及 其 发展趋 势 ． 车 电器 ， ０ ４９． 汽 ２０ ． （ 稿 日期 ：０ ４ １－３ 收 ２０ — １２ ） 作 者简 介 ； 刘 伟 ，９ ８ ， ， １７ 生 男 硕士 研 究生 ， 辆 工程 专 业 。 究方 向 车 研
维普资讯
现代驱 动与控制
基于ＤＳ 的全数字直流伺服 电动机位 置随动系统 的设计 Ｐ
李本红
佛山职业技术学院（２２ ７ ５８ ３ ）
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｍｐ ｅｅ Ｄｉ ｉａ ｓｇ ｆＣｏ ｌ ｔ ｇ ｔ ｌＤＣ ｅ ｖ ｍｏ ｏ ｓｔｏ ａ ｅ ｖ － ｃ ａ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ＤＳ Ｓ ｒｏ ｔ ｒＰｏ ｉｉ ｎ ｌＳ ｒ ｏ ｍｅ ｈ ｎｉｍ ｓ ｄ ｏ Ｐ
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Байду номын сангаас
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数字交流伺服系统实验报告(DOC)
数字交流伺服系统实验报告学院：机械工程学院学号：YJX*******姓名：***数字交流伺服系统实验报告（标题宋体，3号，加黑，段前段后0.5行）一、实验目的（宋体，小4，加黑，段后0.5行）通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的控制器设计与系统调试方法。
（正文：宋体，5号，单倍行距）二、实验内容及结果1. 对系统进行理论分析1)数字伺服伺服系统又称“随动系统”，是属于自动化体系中控制的一种，它是由若干元件和部件组成的、具有功率放大作用的一种自动控制系统，它的输出量总是相当精确地跟随输入量的变化而变化，或者说，它的输出量总是复现输入量。
它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以采用开环控制系统来实现其功能。
随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已经进入了全数字化和交流化的时代。
随动系统的基本职能是对信号进行功率放大，保证有足够的能量推动负载（被控对象）按输入信号的规律运动（即输出），并使得输入与输出之间的偏差不超过允许的误差范围。
也有一部分伺服系统还必须完成一定距离的自动追踪任务。
数字伺服控制系统是一种以数字处理器或计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的闭环控制系统。
因此，数字伺服控制系统包括工作于离散状态下的数字计算机和和工作于连续状态下的被控对象两大部分。
由于数字控制系统的具有一系列的优越性，但主要体现在数字化的实现，将原来有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等，成为可能。
此外也使得整个伺服系统更加集成化、网络化、智能化和模块化。
数字伺服控制系统的输出可以使各种不同的物理量，如速度（包括角速度）控制、位置（包括转角）控制、和运动轨迹控制。
其组成部分主要有测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件等。
由系统所给的仿真控制图可以知道系统属于位置控制系统。
基于DSP控制的IPM数字化电机伺服驱动系统设计
ｔ ａ ｈ ｒ ｉ ｇ ｓ ｓ ｍ ａ ｈ ｔｂ ｅ ｐ ｒ ｒ ａ ｉｈ ａ ｔ ｉ ｔｒ ｒ ｎ ｅ， ｈ ｇ ａｕ ． ｈ ｔ ｅ ｄ ｖ ｎ ｙ ｔ ｈ ｓ ｔ ｅ ｓａ ｌ ｅｆ ｍ ｎ ｈ ｇ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｅ ｃ ｔ ｉ ｅ ｏ — ｆ ｉｈ ｖ ｌ ｅ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｐ ａｆｒ ｏ ｈ Ｓ ｏ ｔ ｌ ｎ ｙ ｔ ｒ ｏ ｔｒ ， ｅ ｐ ｓｔｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ａ ｐ ｉ ｔ ｌ ｔ ｍ ｆ ｔ ｅ Ｄ Ｐ ｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ｓ ｓｅ ｍ ｆ ｍｏｏ ｓ ｃ ｏ ｏ ｏｉ ｘ ｏ ｉ ｈ ｅ ｈ ｒ ｗａ ｅ ｄ ｓ ｎ ｏ ｅ ｄ ｉｉ ｇ ｓ ｓｅ ｎ ｏ ｅ ｅ ｔ ｎ Ｉ ｇ ｖ ｅ ｔ ｅ ｖ ｒ ｒ ｐ ｗ ｒｄ ｖ ｎ ， ｏ ｅ － ａｄ ｒ ｅ ｉ ｆｔ ｒｖｎ ｙ ｔ ｍ ａ ｄ ｐ ｗ ｒ ｃｉ ． ｔ ａ ｅ ｒ ｃ ｉ ｒｉ ｅｔ ， ｏ ｅ ｒ ｉ ｇ ｇ ｈ ｓ ｏ ｉ ｆ ｎ ｅ ｉ ｖｒ ｖ ｈ ｇ ｎ ｎ ｅ － ｏｔｇ ｒ ｔｃ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｔ ｃ ｕ ｌｒｉｏａｉ ｎ ｃｒ ｕ ｔ ，ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｔ ｅ ｉ ｔｒ ａ ｏ ｒｃ ｎ ｏ ａ ｅ ａ ｄ ｕ ｄ ｒｖ ｌ ｅ ｐ ｏ ｅ ｔ ｎ ｐ ｏ ｏ ｐｅ ｓ ｌｔ ｉ ｉ ａ ｏ ｏ ｃ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｈ ｎ ｅ ｎ ｐ ｗｅ ｏ － ｌ
本文 以基 于 Ⅱ 公 司 Ｔ ３０ ２０ ＭＳ２ Ｆ ０ ０系列 Ｄ Ｐ的 Ｓ
三相电机数字化 控制 系统研 究这 一实 验项 目为 应用
样电流和电压信号、电机转速和转子位置信号 ，运 用控制算法，得到 Ｐ ＷＭ控制信号 ，经光耦 隔离电
路后 ，驱动 ＩＭ开关 器件 。当系统 出现短 路 、过流 、 Ｐ
伺服驱动系统设计方案
伺服驱动系统设计方案伺服电机的原理：伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。
与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。
定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。
交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。
但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。
而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。
它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。
因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。
图3 伺服电动机的转矩特性2、运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。
3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。
当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中T′－S曲线）不同。
伺服控制系统设计
Wop (s)
s(Ts s
K 1)(T2 s
1)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统旳闭环传递函数
W cl
(s)
TsT2 s 3
(Ts
K T2 )s2
s
K
闭环传递函数旳特性方程式
TsT2s3 (Ts T2 )s2 s K 0
3.2 单闭环位置伺服系统
用Routh稳定判据，为保证系统稳定，
须使
K
Ts T2 TsT2
单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性
3.3 双闭环伺服系统
在电流闭环控制旳基础上，设计位置 调整器，构成位置伺服系统，位置调整 器旳输出限幅是电流旳最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服 系统也合用，只须对伺服电动机和驱动 装置应作对应旳改动。
3.3 双闭环伺服系统
Tm
R J CT Ce
Tl
La R
3.2 单闭环位置伺服系统
驱动器
电机
直流伺服系统控制对象构造图
采用PD调整器，其传递函数为
减速器
WAPR (s) WPD (s) K p (1 d s)
3.2 单闭环位置伺服系统
伺服系统开环传递函数
Wop (s)
s(Ts s
K ( d s 1)
1)(TmTl s2 Tms
3.5 复合控制旳伺服系统
前馈控制器旳传递函数选为
G(s) 1 W2 (s)
得到
m (s) 1
* m
(
s)
3.5 复合控制旳伺服系统
理想旳复合控制随动系统旳输出量可以完 全复现给定输入量，其稳态和动态旳给定误 差都为零。 系统对给定输入实现了“完全不变性” 。 需要引入输入信号旳各阶导数作为前馈控 制信号，但同步会引入高频干扰信号，严重 时将破坏系统旳稳定性，这时不得不再加上 滤波环节。
基于DSP的数字伺服机构控制系统设计
Ｄ Ｐ为控 制核 心 ， Ｓ 包括 中央 处 理 电 路 ， 动 电路 ， 馈 电 路 等 实现 对 直 流 无 刷 电机 伺 服 系统 的 控 制 。 系统 原 理 简单 ， 驱 反 该 易于 实现 。 干 扰 能 力 强且 控 制 精 度 高 ， 制 效 率 好 ， 抗 控 已在 某型 伺 服 控 制 系统 中广 泛 应 用 。
２ Ｈｅ ａ ｏ ｔ ｈ ｉ Ｉｓ ｔｔ ， ｍｙ ７ ０ ９ Ｃ ｉ ） ． ｎ ｎ Ｐ ｌ ｅ ｎｃ ｎ ｔｕｅ ｙｃ ｉ 伽ｇ ４ ３ ０ ， ｈｎ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｒ ｅ ａｉｆ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｆｔ ｅｄ ｇｔ ｌ ｏ ｔｏ ｒ ｓ ｌ ｓ ｔｒ ｉｉ ｌ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｆ ｍ ｓ ｌｓ ｓｒ ｃ ： ｎ ｏ ｄ ｒ ｏ ｓ ｔ ｙｔ ｅ ｒｑ ｉ ｔ ｓ ｅ ｎ ｉｉ ｎ ｒ ｌ ｏ ｂ ｕ ｈ ｅ ｓＤＣ ｍｏｏ ，ａｄ ｇｔ ｎ ｒ ｌ ｓｅ ｏ ｏ ｈ ａｃ ｔ ａｃ ｓ ｂ ｈｅ ｓ
关 键 词 ：ＤＳ Ｐ；伺 服 机 构 ；无 刷 电机 ；Ｔ ３ ０ ２ １ Ｍ￥ ２ Ｆ ８ ２；控 制 系统
中图 分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ２ １
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１ ７ — ２ ６ ２ １ ）０ ０ ２ — ２ ６ ４ ６ ３ （０ ２ １— １７ ０
Ｔｈｅ ｄ ｇ ｔ ｌｓ ｒ ｏ ｍｅ ｈａ ｉ ｍ ｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｐ ｉ ｉａ ｅ ｖ ｃ ｎ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓ ｅ ｂａ ｅ ｎ ＤＳ
７８ ０． －８
便 ， 免 了 由于 频 繁 开 关 导 致 的 电 路 故 障 ， Ｃ Ｌ Ｄ照 明不 像 避 Ａ Ｅ
ｅｅ ｔ ｍｏｏ ｏ ｔ ｌ ｓ ｒ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｉ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｈ ｓ ｓ ｓ ｍ ｈ ｃ ａ ｒ ｓ ｏ ｔ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｒ ｓ ｌｓ ｌｃｒ ｍｏｏ ｌｃｒ ｏ ｔｒ ｃ ｎ ｒ ｅ ｖ ｃ ａ ｉｍ ｓ ｎ ｒ ｕ ｅ ．Ｔ ｉ ｙ ｔ ｏ ｏ ｅ ｗ ｉｈ ｃ ｒｉ ｕ ｈ ｏ ｔ ｆ ｂ ｕ ｈ ｅ ｓ ｅｅ ｔ ｅ ｏ ｏ ｔｒ
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单回路数字调节器(SSC)：主要用于智能仪表；主要包 括MPU、I/O单元、面板单元、编程单元、通信单元 PLC：功能齐全：控制(逻辑、定时、计数、顺序控制)、 输入输出接口、数字存储与处理(辅助继电器、状态 继电器、延时继电器、锁存继电器、主控继电器、 定时/计数器等)、通讯、扩展功能(PID闭环回路等)； 应用灵活(积木式硬件结构)；操作维修方便 DSP：特别是用于数字信号处理运算，可实时快速实 现各种数字信号处理算法；(IT、AD) (TMS320系列)
(2)主机类型
(a). 注意事项：量化误差、计算机字长、A/D、 D/A、信号动态范围、采样周期等 (b)主机 微型计算机：有丰富的软件系统，但成本较 高、对系统使用环境要求较高； 工控机(IPC)：用于工程测量、控制和数据采 集。(成本较高) 单片机：8位、16位、32位；单片机系统中 主要包括CPU、EPR号的处理 a. 信号滤波(模拟滤波、数字滤波） 平均值滤波: • 算术平均值法【1次循环进行多次数据采集，然后 平均】 • 滑动平均值法【1次循环测量1次数据，可满足快速 控制的实时性】 • 防脉冲干扰平均值法【在上述两种方法中，先提出 最大值和最小值，然后平均】 程序判断滤波法，包括限幅滤波，限速滤波 对随机脉冲干扰和采样器不稳定引起的失真具有良好 的滤波效果；对限制阈值的确定比较困难，受到收入 信号形式、采样周期等的影响，因此需要大量的观测 和试验确定，
4. 硬件设计实现
(1). 总线 a. 局部总线：芯片或元件级总线(数据总线、 控制总线、地址总线) b. 系统总线：板级总线(ISA总线、EISA总线、 PCI总线、 STD总线、PC104总线) c. 外总线：通信总线(不同微机与智能仪器仪 表之间的信息传递) RS-232C、RS-422、RS-485、USB总线、 IEEE1394总线、CAN总线等。
(4). 采样频率的选取 a. T<Td/10(Td为闭环系统主导极点时间常数)； b. T<(0.25~0.1)t（t为延滞时间） c. T<Ts/10(Ts为稳态调节时间)
数字伺服系统的设计
这里讨论的主要以计算机为控制器的伺服系 统 1. 可以充分利用计算机强大的数值计算、逻辑 判断等信息处理能力； 2. 能够实现更复杂、更全面的控制策略，为现 代控制理论的应用提供有利工具； 3. 控制性能更优异、控制方案更灵活，便于修 改；
1. 数字伺服系统组成
数字伺服系统主要由硬件和软件部分构成。 硬件结构上主要包括：CPU控制器、常规外 围设备、输入输出通道(A/D、D/A、DI、DO、 继电器触点等)、功率放大装置、检测装置、 执行机构、操作平台、负载。 软件包括：操作系统、应用程序(监控程序、 控制程序、公共应用程序)、数据库
三种方法的比较 (a). 直接法，需要传输的数据多、占用内存多、运算 中量化噪声对输出影响较大，控制器输出对参数设 计误差敏感。但计算延时很小 字长较短、控制器阶次不宜采用该方法。 (b). 并行法、串行法的输出对参数设置误差不敏感， 量化误差对输出影响较小；对阶次较高的数字控制 器优先采用并行法设计 (c). 串行法计算效率最高，中间结果有时有用，如零、 极点设计，该方法提供了很好的灵活性。
惯性滤波：模拟低通滤波器，适用于输入信号频繁 波动场合，即存在高频噪声。该方法设计的滤波器 无明显波纹、反应又不太迟缓]) Kalman滤波(属于最小方差滤波) 小波滤波，可有效去除叠加性高斯白噪声。 (2). 分段线性化： 解决非线性特性的线性化。 (3). 线性标度变换：将测量的数值转换成有量纲的数值。
(3). A/D转换器
多路A/D转换器结构 信号处理---模拟开关----放大器---采样保持— A/D---接口---CPU总线(信号传输) CPU控制线（绘制草图结构）
检测信息输入通道
(在检测装置的稳态设计中已经提过)
D/A输出通道
已AD567为例说明
4. 软件设计
计算机控制中讨论(控制器的设计方法) (1). 连续设计法 (2).离散设计法 控制算法的实现(D(z)) (1). 直接设计法 (2).串行设计法 (3). 并行设计法
2. 数字控制系统控制过程
实时数 据采集 实时控 制决策 实时控 制输出
数字控制系统突出“实时”性---即计算机在时间 允许的范围内完成信息的输入、处理和输出
3. 一般步骤
(1). 总体方案设计：主要功能、技术指标、控制策略、 系统硬件结构、软件功能、抗干扰性、经费使用及 进度安排等。 (2). 硬件的设计和实现：包括信息采集、输出通道模 板、控制器、总线结构、检测装置、功率放大装置 等 (3).系统软件设计实现：数据类型、数据结构、资源 分配、实时控制软件 (4). 系统调试：离线仿真调试、在线调试、允许、运 行