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1、直流调速系统的数字控制,第 3 章,电力拖动自动控制系统,内容提要,微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 数字测速与滤波 数字PI调节器 用离散控制系统设计数字控制器,3. 0 问题的提出,前两章中论述了直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。,以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温
2、度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。,3. 1 微型计算机数字控制的主要特点,总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，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。 由于计算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： 为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻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。,O,n,f(nT),数字化：
3、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：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
4、稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。,随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。 但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。,3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统 的硬件和软件,3.2.0 系统组成方式 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种： 1. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统 3. 计算机控制系统,1. 数模混合控制系统,U*n,Un,U*i,Uc,Ui,-,数字电路,-,数模混合控制系统特点： 转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器； 电流调节器采用数字调节器；
5、 脉冲触发装置则采用模拟电路。,2. 数字电路控制系统,数字电路控制系统特点： 除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。,3. 计算机控制系统,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、转速给定和检测； 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。,3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构,微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图3-4所示，系统由以下部分组成 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 显示电路,图3-4 微机数字控制双闭环直流PWM调速
6、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 晶闸管可控整流器,检测回路检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中： 电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机； 转速检测用数字测速。,1. 转速检测,转速检测有模拟和数字两种检测方法： （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，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。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 转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将
7、偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。,（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。,测速基本方式,2. 电流和电压检测,电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。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。,电流检测方法,（1）电流互感器,（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； Ic为控制电流。,信号隔离与转换,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
8、故障立即进行故障诊断，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。,数字控制器数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列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，还带有一般微机并不具备的故障保护、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。,系统给定系统给定有两种方式： （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； （2）数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是
9、拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送见下图。,a) 模拟给定,b) 数字给定,键盘与显示电路,输出变量微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经 D/A 转换得到的模拟量去控制功率变换器。 随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。,3.2.2 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规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制
10、双闭环直流调速系统的软件有： 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。主程序框图见图3-5。 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。初始化子程序框图见图3-6。,图3-5 主程序框图,图3-6 初始化子程序框图,3中断服务子程序,中断服务子程序完成实时性强的功能，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
11、-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，而转速调节和电流调节均采用定时中断。 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。,3.3 数字测速与滤波,数字测速指标 数字测速方法 M/T 法测速电路,3.3.1 数字测速指标,（1）分辩率： 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为 Q = n1 - n2 （转/分） Q 越小，测速装置的分辩能力越强； Q 越小，系统控制精度越高。,（2）测
12、速精度,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。,（3-7）,（3）检测时间 Tc ： 检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。检测时间对系统的控制性能有很大影响。 检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。,3.3.2 数字测速方法,1. 旋转编码器 在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。 旋转编码器测速原理如下图所示,光电转换,增量式旋转编码器 带Z1轨道的园刻度,旋转编码器的检测原理,旋转编码器检测信号的处理,2. 测速原
13、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法脉冲直接计数方法； （2）T 法脉冲时间计数方法； （3）M/T法脉冲时间混合计数方法。,3. M法测速,工作原理： 由计数器记录PLG发出的脉冲信号； 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,计算公式 式中 Z为PLG每转输出的脉冲个数； M法测速的分辨率,（3-1）,M法测速误差率 在上式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转
14、速 n 正比于脉冲个数。高速时Z大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时将小于1，测速装置便不能正常工作。 所以，M法测速只适用于高速段。,4. T法测速,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,计算公式 T法测速的分辨率,（3-2）,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。,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
15、，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,电路结构：,工作原理： T0定时器控制采样时间； M1计数器记录PLG脉冲； M2计数器记录时钟脉冲。,波形图：,M/T法数字测速软件,计算公式 分辨率 检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的 M1次平均，而在这 M1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。,（3-3）,小 结,由于M/T法的计数值M1和M2
16、都随着转速的变化而变化，高速时，相当于M法测速，最低速时，M1=1，自动进入T法测速。 因此M/T法测速能适用的转速范围明显大于前两种。是目前广泛应用的一种测速方法。,3.4 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,3.4.1 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，在微机数字控制系统中，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,（3-13）,（3-14）,PI调节器的差分方程,将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为 式中 Tsam为采样周期,（3-15）,数字P
