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1、1,直流调速系统的数字控制,电力拖动自动控制系统,第 3 章,2,主要内容,3.1 微型计算机数字控制的主要特点 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 3.3 数字测速与滤波 3.4 数字PI调节器 *3.5 按离散控制系统设计数字控制器 *3.6 故障检测、保护与自诊断,3,学习要点：,1. 介绍：离散化、数字化； 2. 数字量化和采样频率选择； 3. 控制系统的输入、输出变量; 4. 介绍数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件。 重点： 数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件的结构。,4,模拟系统的优、缺点,优点:物理概念清晰; 控制信号流向直观。 缺点:控制规律体现
2、在硬件电路上，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。,5,3.1 微型计算机数字控制的主要特点,硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂移的影响； 进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一般线性调节的控制规律， 控制软件更改灵活方便。 具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。,6,微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,离散化和数字化,7,O,n,f(nT),离散化,对模拟的连续信号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。,8,数字化,离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号。,保持,Na(nT)（电
3、压）Nd(nT)（数码）,9,离散化和数字化的负面效应,离散化:时间上的不连续性； 数字化:量值上的不连续性。 负面效应： A/D转换的量化误差，影响控制精度和平滑性。 D/A转换的滞后效应，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。,10,3.1.1数字量化,量化的原则是：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。 存储系数显示量化的精度，其定义为,微机数字控制系统中的存储系数相当于模拟控制系统中的反馈系数。,11,微机数字控制数字化示例：,在微机数字控制系统中，将模拟量数字量化的原则是：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。,定义存储系数K来显示量化精度，其定义
4、为：,存储系数K与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。,例：某直流电动机的额定电枢电流为136A，允许过载倍数1.5，额定速度1460r/min，计算机内部定点数占一个字的位置（16位），试确定电枢电流和转速存储系数。,解：定点数长度为一个字（16位），但最高位用于符号位，只有15位可表示量化数值，故最大存储值Dmax=215-1=32767。,电枢电流允许过载倍数1.5，考虑到调节过程中瞬时值可能超过该值，故实际取值为1.8 倍的额定电枢电流,因此，电枢电流的存储系数：,额定转速为1460r/min，取nmax=1.3 倍的额定转速，则转速的存储系数为：,12,3.1.2 采样频率
5、的选择,Shannon 采样定理: fsam应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam2fmax 这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能。,13,采样频率,实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为 0 至的连续函数，最高频率理论上为无穷大。 因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。,14,系统采样频率的确定,在一般情况下，可以令采样周期,Tmin为控制对象的最小时间常数。 或用采样角频率sam,c 为控制系统的截止频率。,15,3.1.3 微机数字控制系统的输入与输出变量,可以是模拟量，也可以是数字量: 模
6、拟输入量必须经过A/D转换为数字量，而模拟输出量必须经过D/A转换才能得到。 数字量是量化了的模拟量，可以直接参加运算。,16,(1).系统给定,a) 模拟给定,b) 数字给定,17,(2). 状态检测,状态量检测的作用：构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。 1）转速检测：模拟和数字检测方法。 2）电流和电压检测：一般需要A/D转换。,18,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
7、信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。,（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。,19,测速基本方式,20,极性转换,多数状态量为双极性（大小和方向），A/D转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。 经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量，再用软件将偏移码变换为原码或补码。,21,原码、补码和偏移码,22,(3). 输出变量,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。,23,3.2 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
8、. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统 3. 微型计算机控制系统,24,1). 数模混合控制系统,U*n,Un,U*i,Uc,Ui,-,数字电路,-,功率放大电路,25,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； 脉冲触发装置则采用模拟电路。,26,2). 数字电路控制系统,数字电路,主电路,-,Uc,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,27,3). 微机数字控制系统,28,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，
9、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,29,3.2.1 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系统组成： 主电路 检测电路 控制电路 给定与显示电路,30,下标“dig”表示数字量,微机数字控制的双闭环直流调速系统,31,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,电容串联提高耐压等级,32,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,33,检测回路,检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）,其中：,转速检测用数字测速； 电压、电流和温度检测
10、由 A/D 转换通道变为数字量送入微机。,34,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。,35,电流检测方法,（1）电流互感器,电流检测电路 TA电流互感器,U0,36,（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Id成正比的磁通密度； Ic为控制电流。,37,故障综合,对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，以便及时处理，避免故障进一步扩大。,38,数字控制器,专为电机控制设计
11、的微处理器： 除了带有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。 如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等。,（见“电机控制专用集成电路”相关资料）,39,3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的控制软件,微机数字控制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,40,主程序,完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘处理、刷新显示、数据通信等功能。,41,初始化子程序,硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。,42,中断服务子程序,实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时
12、响应。 转速调节中断子程序（中断级别最低） 电流调节中断子程序（中断级别居中） 故障保护中断子程序（优先级别最高）,43,转速调节中断子程序,转速反馈 转速调节 启动测速,44,电流调节中断子程序,电流反馈 电流调节 PWM生成,45,故障保护中断子程序,封锁PWM输出 分析故障原因 显示故障并报警,46,作业：,3-1,47,47,主要内容,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 *故障检测、保护与自诊断,48,48,学习要点：,1、数字测速方法：M法、T法、M/T法； 2、比较测速方法的精度； 3、数字PI调节器的实现，软件
13、算法； 重点、难点： 数字PI调节器的设计、实现。,49,49,3.3 数字测速与滤波,数字测速精度指标 数字测速方法 M/T 法测速软件框图,50,50,3.3.1 数字测速精度指标,（1）分辩率 改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率Q。 Q 越小，测速装置的分辩能力越强。,51,51,（2）测速误差率,测量值与实际值的相对误差来表示，, 的大小与测速方法和测速元件的 制造精度有关。,52,52,3.3.2 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。,光电转换,53,53,旋转编码器,光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。,增量式旋转
14、编码器示意图,54,54,两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90,图3-11 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列,若码盘光栅数为N，则转速分辨率为1/N；常见光栅数1024、2048、4096 采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率 四倍频电路,55,55,2）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。,56,56,3.3.3 M法测速,PLG,倍频电路,Bus,Z,记录Tc时间内旋转
15、编码器PLG发出的脉冲数M1，则,Z=倍频系数PLG光栅数,测速原理与波形图,Counter,57,57,M法测速的分辨率和误差率,M法测速适用于高速。,分辨率:,误差率:,58,58,PLG,倍频电路,Conter,CPU,INTn,f,0,3.3.4 T法测速,记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，则,电路与波形,59,59,T法测速的分辨率和误差率,分辨率: 误差率: T法测速适用于低速段。,60,60,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。,两种测速方法的比较,61,61,M/T法既检测 Tc 时间内PL
16、G输出的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。 应保证高频时钟脉冲计数器与PLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差。,3.3.5 M/T法测速,62,62,M/T法测速波形图,编码器输出脉冲,高频时钟脉冲,允许计数时间,高速时，相当于M法测速 最低速时，M1 =1，自动进入T法测速,63,63,M/T法测速,转速计算,误差率,64,64,M/T法测速,误差率在低速时趋向于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。故误差率小。 M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。,65,65,3.3.6 M/T法测速软件,适用于8X196MC或TMS320X240,捕捉中断,66,66,3.3.7 数字滤波,算术平均值滤波 中值滤波 中值平均滤波,67,67,
