第五章直流调速系统的数字控制

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1、自动控制系统,河南理工大学电气学院,朱艺锋 Email:zyfny,Automation Control System,第五章,数字化直流调速系统,好学力行,河南理工大学,明德任责,前三章讲的是直流调速系统； 第四章讲的是调节器的工程设计方法； 本章来讨论直流调速系统的工程设计问题。,好学力行,河南理工大学,明德任责,5.0 模拟控制系统和数字控制系统,前面论述的直流调速系统，其调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 模拟系统优点：物理概念清晰、控制信号流向直观，便于学习入门； 模拟系统缺点： 线路复杂、通用性差，控制效果受器件的性能、温度等因素的影响，控制精度差。,数字控制系统：以微处理

2、器为核心，调节器、甚至触发电路都可在微处理器中实现的控制系统。 数字控制系统优点：控制参数调节方便，不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行复杂运算，可以实现像非线性、智能化等复杂控制。可实现监控、数据采集、数字显示等多种功能；稳定性好，可靠性高；体积小，耗能少。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。缺点：难度大。,本章提要,5.1 微机数字控制的主要特点 5.2 微机数字控制直流调速系统的软硬件 5.3 数字测速 5.4 数字PI调节器 5.5 数字触发实现 5.6 数字直流调速系统举例分析,第五章 数字化直流调速系统,5.1 微机数字控制的主要特点,由于微

3、机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,离散化（采样） 为了把模拟的连续信号输入微机，必须对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化 香农定理：采样频率应不小于信号最高频率的2倍，确保不失真。,O,n,f(nT),数字化（量化）： 采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。,数字化,离散化和数字化的负面效应,离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应： （1）A/D转换的量化误差：

4、模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。,（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。 上述两个问题的影响较小，通常可以忽略。但对高性能控制场合，需要在系统设计中予以解决。,5.2 微机数字控制双闭环直流调速系统,5.2.1 系统组成,5.2 微机数字控制双闭环直流调速系统,在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能 ，即为计算机控制系

5、统。系统的特点： 双闭环系统结构，采用微机控制； 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和电流、电压检测和转速的计算； 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。,5.2 微机数字控制双闭环直流调速系统,5.2.1 微机数字控制直流调速系统的 硬件结构,微机数字控制直流调速系统硬件方面一般由以下部分组成： 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,主回路微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式： 直流PWM功率变换器（中小功率） 晶闸管可控整流器（大功率）,检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中： 转速检测用数字

6、测速。 电压、电流和温度检测由 A/D 转换变为数字量送入微机；,1. 转速检测,（1）模拟测速：一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D 转换后将得到的数字量送入微机,测速发电机,转速检测有模拟和数字两种检测方法。,（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往采用光电旋转编码器测速，即数字测速。,注意问题：隔离和抗干扰。,正反转判断,2. 电流和电压检测,电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。,（1）采样电阻,（2）电流互感器

7、,（2）霍尔效应电流变换器 UH = KH B Ic KH为霍尔常数； B为与被测电流 成正比的磁通密度； Id为被检测的电流。,3.信号隔离,考虑数字调速系统的抗干扰能力及可靠性，需要将外界与单片机电路之间进行隔离。,带光电耦合器的开关量输入电路,带光耦的开关量输出电路,开关量输入、输出电路,AD289隔离放大器结构,1） 变压器隔离,很小的输入信号（毫伏级）经放大器A1放大，经调制器将A1的输出电压调制成交流信号。经变压器T2隔离，再经解调器还原成A1的输出电压。经A2放大在9/10两端输出被放大的电压。,AD289隔离放大器结构,调制器,15V,2） 光耦隔离,TIL300.特点，既可以

8、线性放大输入信号，又可以实现隔离。,线性光耦隔离,输出信号与LED发出的伺服光通量成线性化。 抗干扰能力强，传输效率高，稳定,3）A/D转换后光耦隔离,4）V/F变换后光耦隔离,多通道复用A/D,定时脉 冲计数， 计算频 率及对 应的电 压。,A/D转换的特殊形式,4.数字控制器,数字控制器是系统的核心， 可选用单片机：如Intel 8X196MC系列，带有 HSI和HSO。 或数字信号处理器（DSP）比如：TMS320X2407/2812/28335等专为电机控制设计的微处理器. 本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。

9、,5.系统给定,有两种方式：模拟给定和数字给定； （1）模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算.,5.系统给定,（2）数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。,6.键盘与显示电路,7.输出变量微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量经放大环节直接控制功率器件的通断，也可以用 D/A 转换得到的模拟量去控制功率变换器。,晶闸管触发及驱动电路,8.故障综合利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断并显示故障

10、信息，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。 故障保护：硬件保护和软件保护并重。,5.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的 软件框图,微机数字控制系统的控制策略是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。控制系统的软件一般有三部分组成： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等。,1. 主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。 2. 初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。,图 主程序框图,初始化子程序框图,主程序没有end,3中断服务子程序,中断服务子程序完成实

11、时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。 转速调节中断服务子程序 电流调节中断服务子程序 故障保护中断服务子程序,图3-7 转速调节中断 服务子程序框图,图3-8 电流调节中断 服务子程序框图,图3-9 故障保护中断 服务子程序框图,当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断（外部中断），而转速调节和电流调节均采用定时中断（内部中断）。 三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。,小 结,重点：1）数字控制系统的优点及特点； 2）数字控制直流调速系统的硬件组成： 主电路、检

12、测电路、驱动电路等。 3）数字控制直流调速系统的软件组成： 主程序、初始化子程序、中断子程序等。,本节提要,5.3 数字测速 5.4 数字PI调节器 5.5 数字触发实现 5.6 数字直流调速系统举例分析,第五章 数字化直流调速系统,5.3 数字测速,5.3.1 数字测速的指标,（1）分辨率： 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辨率定义为 Q = n1 - n2 （转/分） Q 越小，测速装置的分辨能力越强， 系统控制精度也越高。,（2）检测时间： 指两次转速采样之间的时间间隔。 检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。,（3）测速精度（也

13、叫测量误差）,测速精度是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即 测量误差 越小，测速精度越高，系统控制精度越高。 的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。,5.3.2 数字测速方法,1. 旋转编码器,在数字测速中，常用增量式光电式旋转编码器作为转速的检测元件。旋转编码器测速原理如下图所示。,光栅1024*1/2/4;倍频技术,两套发光和接收装置错开光栅节距的1/4,2. 测速原理,由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。 脉冲数字（P/D）转换方法： （1）M法定时数脉冲法，又称频率法； （2）T 法相

14、邻脉冲计时法，又称周期法； （3）M/T法脉冲时间混合计数法。,3. M法测速定时数脉冲,工作原理： 由计数器记录PLG发出的脉冲信号数值； 定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt； CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数； 根据计数值 M 计算出对应的转速值 n。,测速原理与波形图,Z为电机每转输出的脉冲个数（倍频数 编码器光栅数）,M法测速的分辨率,M法测速的误差率：最大可能性是一个脉冲误差。,式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转速 n 正比于脉冲个数。,高速时M1大，量化误差较小；随着转速的降低M1减小，误差增大；转速过低时M1将小于1，测速装置便不能正常工作

15、。 所以，M法测速只适用于高速段。,M法测速的误差率,4. T法测速测相邻两个脉冲之间的间隔时间；,工作原理： 计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0； PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求； CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。,电路与波形,法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。,分辨率,M法测速在高速段分辨率强； T法测速在低速段分辨率强； 因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时

16、间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。,两种测速方法的比较,5. M/T法测速,Tt为准确的测速时间，由高频脉冲数算出。,同时测编码脉冲数和高频脉冲数。,特点：低速时，M/T法趋向于T法，如M1=1；高速时，趋向于M法。 因此，M/T法兼有M法和T法的优点，在高速和低速时都具有较强的分辨能力和较高的测速精度，是目前广泛应用的一种测速方法。,定时采样，遇脉冲前沿中断读数,5.4 数字PI调节器,模拟PI调节器的数字化 改进的数字PI算法 智能型PI调节器,5.4.1 模拟PI调节器的数字化,PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器。在数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。,PI调节器的传递函数,PI调节器时域表达式 其中 Kp= Kpi 为比例系数 ， KI =1/ 为积分系数,将上式离散化成差分方程