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,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。,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。,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,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。,O,n,f(nT),数字化
2、,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)（电压）Nd(nT)（数码）,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： 产生量化误差，影响控制精度和平滑 性。 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。,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。,3.1.2 采样频率的选择,Shannon 采样定理: 采样频
3、率 fsam 应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam 2 fmax 。 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。,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。,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。,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。 模拟输入量必须经过A/D转换为数字量，而模拟输
4、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。,1.系统给定,a) 模拟给定,b) 数字给定,图3-1 模拟给定和数字给定,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：一般用A/D转换。,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。,3. 输出变量,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。,3.2 微机数字控制双
5、闭环直流调速系统的硬件和软件,下标“dig”表示数字量,图3-3微机数字控制的双闭环直流调速系统,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,图3.4 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（数字测速）。,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。,数字控制器,专为电机控制设计的微
6、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。,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,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。,图3.5 主程序,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。,图3.6初始化子程序,中断服务子程序,实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。 转速调节中断子程序（中断级别
7、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）,转速调节中断子程序,转速反馈转速调节启动测速,图3.7 转速调节中断子程序,电流调节中断子程序,电流反馈电流调节PWM生成,图3.8电流调节中断子程序,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,图3.9 故障保护中断子程序,3.3 数字测速与滤波,检测光电式旋转编码器与转速成正比的脉冲，然后计算转速。 数字测速方法： （1）M法脉冲直接计数法 （2）T 法脉冲时间计数法 （3）M/T法脉冲时间混合计数法,旋转编码器,光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。,图3-10 增量式旋转编码器示意图,3.
8、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。,（2）测速精度,测量值与实际值的相对误差来表示，, 的大小与测速方法有关。,3.3.2 M法测速,PLG,倍频电路,Bus,Z,记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则,Z=倍频系数PLG光栅数。,图3-11 测速原理与波形图,Counter,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,PLG,倍频电路,Conter,CPU,INTn,f,0,3.3.3 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,图3-12
9、电路与波形,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。,M/T法既检测 Tc 时间内PLG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。,3.3.4 M/T法测速,M/T法测速波形图,图3-13 测速原理与波形图,M/T法测速,转速计算,误差率,M/T法测速,低速时趋向于T法，高速时M2较大，且在 M1 次中最多丢失一个高频时钟脉冲，故误差率小。 M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。,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,3.4.1 模拟PI调节器的
10、数字化,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，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,PI调节器的差分方程,将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为其中，Tsam为采样周期,位置式数字PI调节器算法,积分部分：,比例部分： PI调节器的输出：,增量式PI调节器算法,PI调节器的输出,限幅值设置,增量式PI调节器算法只需输出限幅； 位置式算法必须设置积分限幅和输出限幅，缺一不可。,PI调节器算法流程,图3-17,3.4.2 改进的数字PI算法,微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进的PI算法，提高系统的控制性能。积分分离算法分段PI算法,1. 积分分离算法,基本思想 在微机数字控制系统中，把 P 和 I 分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。,谢谢!,
