現代數字控制實踐

第1章　緒論/1
1.1數字控制的必要性及優點/1
1.2目前比較流行的幾種數字控制實現簡介/1
1.3一般單個數字控制系統的硬體搆成/2
1.4集中式多系統數字控制及主從分佈式多系統數字控制結構/2
1.5數字控制方案選擇/3
1.5.1工業控制計算機及DsPACE實時模擬系統用於數字控制時的優缺點/4
1.5.2PC/104控制計算機用於數字控制時的優缺點/4
1.5.3MCS-51系列單片機用於數字控制時的優缺點/5
1.5.4MCS-96系列16位元單片機用於數字控制時的優缺點/5
1.5.5DSP(或DSC)微處理/控制器或32位單片機用於數字控制時的優缺點/6
1.6數字控制設計的主要內容及一般過程/7

第2章　數字控制硬體設計基礎/8
2.1數字控制中常用微處理器的介面引腳功能及引腳設置/8
2.1.180C31單片機用於擴展的主要信號引腳定義、功能及封裝/8
2.1.280C196KC單片機用於並行擴展的主要信號引腳定義、功能及封裝尺寸/9
2.1.3DSPLF2407A數字信號控制器用於擴展的主要信號引腳定義、功能及封裝/112.1.4工業控制計算機、PC/104的ISA總線引腳及物理尺寸定義/15
2.2關於TTL數字介面晶片驅動問題/21
2.2.1一般TTL晶片的輸出、輸入結構/22
2.2.2其他電路驅動TTL晶片/22
2.2.3TTL電路驅動其他介面電路/23
2.2.4TTL電路驅動TTL電路時的驅動能力/23
2.35 V、3.3 V混合供電系統中的電平相容問題/24
2.4關於OC輸出結構的數字器件的使用/24
2.5關於微處理器晶片本身的準雙向口及其操作說明/25
2.6數字控制中幾種常用微處理器的中斷結構特點及區別/25
2.6.180C31單片機中斷系統特點/26
2.6.280C196KC單片機中斷系統特點/26
2.6.3DSPLF2407A數字信號控制器中斷系統特點/26

第3章　數字控制基本硬體擴展設計/28
3.1數字控制中常用微處理器的最小系統設計/28
3.1.1微處理器的時鐘電路設置與連接/28
3.1.2微處理器的復位電路設置與連接/29
3.2微處理器總線驅動能力擴展/31
3.3常用微處理器的程式存儲擴展技術/34
3.3.1MCS-51系列單片機數字控制系統的程式存儲擴展/36
3.3.2MCS-96系列單片機數字控制系統的程式存儲擴展/36
3.3.3DSPLF2407A微控制器數字控制系統的程式存儲擴展/39
3.3.4執行代碼可切換程式存儲擴展技術/39
3.4數字控制中常用微處理器的數據存儲擴展/40
3.4.1MCS-51系列單片機數字控制系統的數據存儲擴展/41
3.4.2MCS-96系列單片機數字控制系統的數據存儲擴展/43
3.4.3DSPLF2407A微控制器數字控制系統的數據存儲擴展/43
3.4.4超出微處理器最大尋址空間的數據存儲擴展技術/45
3.5一般並行數字I/O擴展/51
3.5.1一般並行數字I/O擴展的基本設計方法/51
3.5.2MCS-51及MCS-96系列單片機的並行數字I/O擴展設計/52
3.5.3DSPLF2407A的並行數字I/O擴展設計/55
3.5.4工業控制計算機或PC/104的一般數字I/O介面擴展設計/56
3.6數字控制的模擬輸入、輸出介面擴展/58
3.6.1常用A/D、D/A介面晶片及同微處理器的介面方法/58
3.6.2A/D、D/A轉換器的精密參考電源/62
3.7數字電路的EPLD實現/64
3.7.1EPLD器件的分類/65
3.7.2EPLD器件的選擇/66
3.7.3EPLD器件的開發工具及流程/66
3.7.4EPLD器件的設計輸入/67
3.7.5EPLD器件設計文件的編譯及編程/67
3.7.6EPLD編程器的安裝/68
3.8單片機系統的加密技術/69
3.8.1程式隱藏法/69
3.8.2硬、軟件同時加密技術/70

第4章　數字控制中的多處理器數據通信/74
4.1引言/74
4.2並行通信的基本原理及介面設計/74
4.2.1並行通信的基本搆成/74
4.2.2並行通信的優、缺點/75
4.2.3單主模式並行通信設計/75
4.2.4單主模式多機並行通信的資訊傳遞控制/77
4.2.5多主模式並行通信硬體設計/77
4.2.6多主模式並行通信優先級仲裁電路/79
4.2.7多主模式多機並行通信的資訊傳遞控制/79
4.3非同步串列通信的基本原理及介面設計/80
4.3.1串列通信的優缺點/80
4.3.2近距離串列通信的硬體連接/81
4.3.3單主多機遠距離串列通信的硬體連接/81
4.3.4單主多機串列通信的資訊傳遞控制/83
4.3.5單主非同步串列通信的信號同步/84
4.3.6單主非同步串列通信的糾錯處理/84
4.3.7單主非同步串列通信電平轉換介面晶片選擇/84
4.3.8多主非同步多機串列通信/86
4.3.9多機CAN總線串列通信的優點/86
4.3.10多機CAN總線串列通信的硬體連接/87
4.3.11多機CAN總線串列通信優先級仲裁/88
4.3.12多機CAN總線串列通信的資訊傳遞控制/89
4.3.13CAN總線串列通信的信號同步/90
4.3.14CAN總線串列通信的糾錯處理/90
4.3.15CAN總線串列通信介面晶片選擇/90

第5章　數字控制的演算法實現及軟件設計/93
5.1引言/93
5.2數字控制的控制器設計及數字化處理方法/93
5.2.1零階保持器的近似/93
5.2.2控制器的數字化處理方法及逼近度討論/94
5.3採樣週期選取/95
5.4數字控制演算法的實現/96
5.4.1一般的單輸入、單輸出數字控制演算法基本表達/96
5.4.2數字控制演算法的並聯實現表達/96
5.4.3數字控制演算法的遞階表達/98
5.4.4雙反饋環數字控制的並行演算法表達/98
5.5數字控制演算法的雙處理器並行實現/99
5.5.1雙處理器並行實現的數字控制系統搆成/99
5.5.2數字控制系統雙處理器並行實現的硬體結構/99
5.6數字控制軟件設計基礎/100
5.6.1數字控制器軟件實現的主要設計內容及設計原則/101
5.6.2完整的數字控制軟件搆成及基於匯編語言設計的注意事項/101
5.6.3數字控制軟件實現中的控制器參數及控制變量序列設置/101
5.7基於80C196KC匯編語言的數字控制軟件設計/102
5.7.1適合80C196KC匯編語言的浮點數數據結構/102
5.7.280C196KC匯編語言的浮點數運算方法及規則/103
5.7.380C196KC匯編語言的浮點數運算副程式/103
5.8基於DSPLF2407A匯編語言的數字控制軟件設計/107
5.8.1適合DSPLF2407A匯編語言的浮點數數據結構/107
5.8.2DSPLF2407A匯編語言6字節浮點控制器演算法實現副程式/108
5.9基於工業控制計算機或PC/104的數字控制軟件設計/114
5.9.1基於工業控制計算機的數字控制軟件設計/114
5.9.2基於PC/104的數字控制軟件設計/120
5.10數字控制實現中控制變量序列的初值處理/120

第6章　數字控制系統的電磁相容設計/122
6.1電源部分的電磁相容設計/122
6.1.1穩壓電源輸出端濾波處理措施/123
6.1.2穩壓電源交流輸入端的濾波處理/123
6.1.3穩壓電源的二次穩壓處理/124
6.2數字電路部分的電磁相容設計/124
6.2.1數字電路原理設計階段的電磁相容考慮/124
6.2.2數字電路印刷電路板設計階段的電磁相容考慮/125
6.3模擬電路部分的電磁相容設計/127
6.3.1運算放大器電路原理設計階段的電磁相容考慮/128
6.3.2運算放大器電路印刷PCB板設計階段的電磁相容考慮/128
6.4基於PWM的電機驅動系統的電磁相容設計/129
6.4.1輻射干擾的抑制措施/129
6.4.2傳導幹擾的抑制措施/129
6.4.3基於PWM的驅動器電磁相容的系統設計/130
6.5軟件設計上的抗幹擾措施/130
6.5.1數據採集或反饋信號中的幹擾去除/130
6.5.2數據通信的軟件抗幹擾措施/131
6.5.3程式運行失常的軟件抗幹擾措施/131
6.5.4信號狀態採樣判別中的抗瞬態幹擾措施/131
6.6外部信號走線的電磁相容設計/131
6.7幾個電磁相容問題解決實例/132
6.7.1繼電器線圈的電磁幹擾抑制/132
6.7.2數字控制機械執行機構部分的接地處理/133
6.7.3控制箱殼體接地處理/134
6.7.4角位置數字化測量的前置放大電路的抗幹擾措施/134
6.7.5角度方向判別處理中的瞬態幹擾抑制/135
6.7.6PWM電機驅動系統中的一個問題解決/136

第7章　數字控制系統中常用的模擬電路/138
7.1前言/138
7.2運算放大器電路設計的一般原則/138
7.2.1運算放大器電路主要指標/138
7.2.2運算放大器輸入電壓限制及保護措施/138
7.2.3運算放大器的選取原則/139
7.3常見的幾種電路介紹/139
7.3.1單位增益隔離器/139
7.3.2基本反相放大器電路/140
7.3.3基本同相放大器電路/140
7.3.4差分放大器電路/141
7.3.5相敏解調放大器電路/142
7.3.6儀用放大器電路/143
7.3.7絕對值放大電路/144
7.3.8移相電路/145
7.3.9低通濾波器電路/146
7.3.10高通濾波器電路/148
7.3.11帶通濾波器電路/149

第8章　回轉運動控制的角位置數字反饋信號測量/151
8.1引言/151
8.2基於旋轉變壓器及感應同步器的鑒幅式雙通道測角系統原理及實現/152
8.2.1軸角變換器AD2S80簡介/152
8.2.2 AD2S80閉環測角原理及閉環系統特性分析/153
8.2.3AD2S80的外圍電路參數選取/155
8.2.4軸角變換器AD2S80的調零/157
8.2.5最高速率限制/157
8.2.6解析度設置的注意事項/158
8.2.7輸入信號接法同角度增大方向的關係及增大方向調整/159
8.2.8鑒幅式角位置數字測量系統整體硬體結構/160
8.2.9【ZK】鑒幅式角位置數字測量系統激磁電源及角度反饋信號處理模擬電路設計【ZK】/160
8.2.10鑒幅式角位置數字測量的誤差分析及補償/162
8.2.11雙通道測角數據耦合處理/163
8.3基於旋轉變壓器及感應同步器的混合式雙通道測角系統原理及實現/167
8.3.1精測角系統基本原理/167
8.3.2閉環激磁電源設計/167
8.3.3精測反饋前置放大器設計/177
8.3.4精測反饋回路的濾波、檢零電路設計/177
8.3.5混合式雙通道測角系統角度編碼電路硬體結構原理/178
8.3.6混合式雙通道測角系統的輔助功能設計/179
8.3.7誤差補償參數調試方法/179
8.3.8混合式角位置數字測量的動態誤差及自動補償/184
8.4測角傳感器安裝及接線對信號質量的影響/188

第9章　閉環系統數字控制設計實例/190
9.1設計任務提出/190
9.2總體方案設計/190
9.2.1總體搆成/190
9.2.2電機參數及驅動方式選擇/190
9.2.3角位置反饋系統方案選擇/191
9.2.4速度反饋傳感器選擇/191
9.2.5數字控制處理器選擇及數字控制系統整體硬體結構/191
9.3數字控制系統硬體設計/192
9.3.1角度測量及反饋系統介面硬體/192
9.3.2上位機指令給定及讀取角度資訊的串-並轉換介面硬體設計/192
9.3.3 DSPLF2407A處理器本身的最小系統及外擴展介面設計/195
9.3.4數字控制系統的電源管理硬體設計/202
9.4控制器結構及參數設計/203
9.4.1精密位置控制的雙控制器切換規則/204
9.4.2粗位置控制器結構及參數設計/204
9.4.3位置控制的精控制器設計/205
9.5數字控制系統軟件設計/207
9.5.1上位機人機交互介面設計/207
9.5.2串-並轉換單元的軟件設計/215
9.5.3主控數字系統的軟件設計/219
9.6閉環數字控制系統的實際調試/225
9.6.1閉環數字控制系統調試的一般步驟/226
9.6.2利用模擬器調試數字控制系統時的一些注意事項/226
9.6.3調試過程中的其他值得考慮的問題/227
9.6.4轉臺閉環數字控制的位置響應實測曲線/228
9.7閉環數字控制系統的性能測試/229
9.7.1角位置定位精度檢測/229
9.7.2角位置定位重復性檢測/230
9.7.3速率準確度及平穩性檢測/231
9.7.4速率分辨力檢測/231

參考文獻/233

前言

　　數位控制是指以數位計算機作為廣義控制器實現對連續或離散對象(或過程)的開環或閉環控制的控制方法，它在諸多方面都有著傳統模擬控制無法比擬的優點。隨著微處理器及其相關電子技術的發展和進步，基於微處理器的數字控制越來越廣泛地被用於控制工程實踐中。

　　數字控制技術是一門多學科綜合技術，它不僅包含古典控制理論、現代非線性控制科學的應用、微處理器數字系統的硬件擴展技術及軟件設計，還涉及非電物理量的數字測量、模擬電路技術等，尤其是現代數字控制實踐中還會遇到電磁兼容技術問題。

　　目前，大多有關數字控制的著作基本上偏重理論的分析和系統設計，而有關微處理器數字系統技術的教材則大多局限於某種處理器的基本結構和一般應用介紹。在作者的教學實踐中發現，雖然很多讀者對數字控制用到的各方面知識都有較深入的掌握，但在具體的數字閉環控制實踐中往往不能有效地綜合運用。為此，本書作者從工程實際出發，圍遶實際的數字控制系統的設計和實現，介紹了多種常用微處理器的基礎知識及外圍接口擴展技術、數字控制的整個設計過程、硬軟件實現方法等，試圖使讀者從全局的高度對數字控制技術有概括的瞭解，融會貫通地掌握所用到的諸方面的知識，提高對基礎知識的綜合運用水平和實際動手能力。

　　本書大部分章節的內容都是作者多年數字控制實踐經驗的系統總結和提煉，同時為了方便讀者對數字控制技術有全面、系統的理解和掌握，介紹了有關數字控制的基礎知識。基礎知識的介紹不是簡單的資料匯編，而是作者在參閱了大量相關文獻的基礎上，融會了本人實踐過程中的心得體會，比如基礎部分的硬件擴展及基於匯編語言的控制軟件編程，都結合作者親自設計和調試過的實例來介紹，以期對讀者快速掌握、提昇理解等有所幫助。

　　本書是一本有關數字閉環控制系統設計及實現的全面、系統而且實用的學習教程，內容涉及常用的微處理器接口擴展設計、多處理器的數據通信、數字控制的電磁兼容設計、角位置信號的數字測量、數字接口的前置和後置處理模擬電路設計等。本書可作為高年級研究生或者愛好計算機硬件設計和數字系統的高年級本科生的教材或參考書，也適合具有一定數字控制實踐經驗的科技人員參考。

　　本書第1、3、6、8、9章由王茂編著，第2、4、5、7章由申立群編著，博士研究生孫光輝編寫了5.9節的主要內容，碩士研究生金海亮為本書第8章部分內容的編著提供了大量的基礎素材，魏延嶺、顧玥等幫助查閱了許多相關資料，並對初稿中的錯誤甄別進行了大量有益的工作。編著過程中，還得到了哈爾濱工業大學空間控制與慣性技術研究中心游文虎博士的大力支持和幫助。作者在此一並表示感謝。