電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)(第4版)-第5章 直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制

1、第5章直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)2022/7/311內容提要微型計算機數(shù)字控制的主要特點 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)字測速與濾波 數(shù)字PI調節(jié)器用離散控制系統(tǒng)設計數(shù)字控制器 2022/7/312內容提要前面論述了直流調速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設計方法，所有的調節(jié)器均用運算放大器實現(xiàn)，屬模擬控制系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，便于學習入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。 2022/7/313內容提要以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）

2、硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。2022/7/3145.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點總之，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此，與模擬控制系統(tǒng)相比，微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化2022/7/3155.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點離散化：為了把模擬的連續(xù)信號輸入計算機，必須首先在具有一定周期的采樣時刻

3、對它們進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。2022/7/316Otf(t)原信號Onf(nT)1234采樣5.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點數(shù)字化：采樣后得到的離散信號本質上還是模擬信號，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。 2022/7/317數(shù)字化OnN(nT)5.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點離散化和數(shù)字化的負面效應離散化和數(shù)字化的結果導致了時間上和量值上的不連續(xù)性，從而引起下述的負面效應：（1）A/D轉換的量化誤差：模擬信號可以有無窮多的數(shù)值，而數(shù)碼總是有限的，用數(shù)碼來逼近模擬信號是近似

4、的，會產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。2022/7/3185.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點離散化和數(shù)字化的負面效應（2） D/A轉換的滯后效應：經(jīng)過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續(xù)的模擬量，再經(jīng)放大后驅動被控對象。但是，保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2022/7/3195.1微型計算機數(shù)字控制的主要特點隨著微電子技術的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數(shù)也不斷增加，上述兩個問題的影響已經(jīng)越來越小。但微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點及其負面效應需要在系統(tǒng)分析中引起重視，并在系統(tǒng)設計中予以解決。

5、2022/7/31105.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)字控制直流調速系統(tǒng)的組成方式大致可分為三種：1. 數(shù)模混合控制系統(tǒng)2. 數(shù)字電路控制系統(tǒng)3. 計算機控制系統(tǒng)2022/7/31115.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)模混合控制系統(tǒng)2022/7/31122022/7/31U*nUnU*iUcUi-數(shù)字電路-5.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)特點：轉速采用模擬調節(jié)器，也可采用數(shù)字調節(jié)器；電流調節(jié)器采用數(shù)字調節(jié)器；脈沖觸發(fā)裝置則采用模擬電路。2022/7/3113數(shù)字電路主電路-U*nUnU*iUiUc5.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直

6、流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)字電路控制系統(tǒng)2022/7/31145.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)字電路控制系統(tǒng)特點：除主電路和功放電路外，轉速、電流調節(jié)器，以及脈沖觸發(fā)裝置等全部由數(shù)字電路組成。2022/7/3115主電路微機控制電路-U*nUnUiU*iUc5.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 計算機控制系統(tǒng)2022/7/31165.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 計算機控制系統(tǒng)在數(shù)字裝置中，由計算機軟硬件實現(xiàn)其功能 ，即為計算機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結構，采用微機控制全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉速給定和檢測采用數(shù)字PI算法，由軟件實現(xiàn)轉

7、速、電流調節(jié)2022/7/31175.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)硬件結構如圖所示，系統(tǒng)由以下部分組成主電路檢測電路控制電路給定電路顯示電路2022/7/31182022/7/31195.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 主回路微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器2022/7/31205.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 檢測回路檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中：電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉速檢測用數(shù)字測速。2022/7

8、/31215.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 轉速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向，在調速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉速的方向也是不可缺少的。因此必須經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，將雙極性的電壓信號轉換為單極性電壓信號，經(jīng)A/D 轉換后得到的數(shù)字量送入微機。但偏移碼不能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補碼，然后進行閉環(huán)控制。2022/7/31225.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 轉速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：對于要求精度高、調速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數(shù)字測速202

9、2/7/31235.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 轉速檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法：2022/7/31245.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 電流和電壓檢測除了用來構成相應的反饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息的來源。電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經(jīng)過一定的處理后，經(jīng)A/D轉換送入微機，其處理方法與轉速相同。2022/7/31255.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 電流互感器2022/7/31265.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 霍爾效應電流變換器UH = KH B IcKH為霍爾常數(shù)；B為與被測電流成正比的磁通密度；Ic

10、為控制電流。2022/7/3127R1R0A1R0R1UHIdIcUiR1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi5.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 信號隔離與轉換2022/7/31285.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 故障綜合利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在。2022/7/31295.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 數(shù)字控制器數(shù)字控制器是系統(tǒng)的核心，可選用單片微機或數(shù)字信號處理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列

11、或TMS320X240系列等專為電機控制設計的微處理器，本身都帶有A/D轉換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數(shù)字測速和PWM生成功能，可大大簡化數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路。2022/7/31305.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：模擬給定：模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經(jīng)A/D轉換為數(shù)字量，再參與運算數(shù)字給定：數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤設定、鍵盤設定或采用通信方式由上位機直接發(fā)送。2022/7/31315.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方

12、式：2022/7/31325.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 鍵盤與顯示電路2022/7/31335.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 輸出變量微機數(shù)字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng) D/A 轉換得到的模擬量去控制功率變換器。隨著電機控制專用單片微機的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列單片微機可直接生成PWM驅動信號，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。 2022/7/31345.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 微機數(shù)字控制系統(tǒng)的

13、控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務子程序等。 2022/7/31355.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能。初始化子程序完成硬件器件工作方式的設定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。2022/7/31362022/7/31375.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 中斷服務子程序中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故障保護、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PI調節(jié)等,中斷服務子程序由相應的

14、中斷源提出申請，CPU實時響應。轉速調節(jié)中斷服務子程序電流調節(jié)中斷服務子程序故障保護中斷服務子程序2022/7/31382022/7/31395.2微機數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的硬件和軟件 當故障保護引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護中斷，而轉速調節(jié)和電流調節(jié)均采用定時中斷。三種中斷服務中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，電流調節(jié)中斷次之，轉速調節(jié)中斷級別最低。 2022/7/31405.3數(shù)字測速與濾波數(shù)字測速指標數(shù)字測速方法M/T 法測速電路2022/7/31415.3數(shù)字測速與濾波分辯率：設被測轉速由 n1 變?yōu)?n2 時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q = n1 -

15、n2 （轉/分） Q 越小，測速裝置的分辯能力越強； Q 越小，系統(tǒng)控制精度越高。2022/7/31425.3數(shù)字測速與濾波測速精度測速精度是指測速裝置對實際轉速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即測量誤差 越小，測速精度越高，系統(tǒng)控制精度越高。 的大小取決于測速元件的制造精度和測速方法。2022/7/31435.3數(shù)字測速與濾波檢測時間 Tc檢測時間是指兩次轉速采樣之間的時間間隔。檢測時間對系統(tǒng)的控制性能有很大影響。檢測時間越短，系統(tǒng)響應越快，對改善系統(tǒng)性能越有利。2022/7/31445.3數(shù)字測速與濾波旋轉編碼器在數(shù)字測速中，常用光電式旋轉編碼器作為轉速或轉角的檢測元件

16、。2022/7/31455.3數(shù)字測速與濾波測速原理由光電式旋轉編碼器產(chǎn)生與被測轉速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數(shù)字形式表示的轉速值。脈沖數(shù)字（P/D）轉換方法：M法脈沖直接計數(shù)方法；T 法脈沖時間計數(shù)方法；M/T法脈沖時間混合計數(shù)方法。2022/7/31465.3數(shù)字測速與濾波M法由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號；定時器每隔時間Tc向CPU發(fā)出中斷請求INTt；CPU響應中斷后，讀出計數(shù)值 M1，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)；根據(jù)計數(shù)值 M 計算出對應的轉速值 n。2022/7/31475.3數(shù)字測速與濾波計算公式式中，Z為PLG每轉輸出的脈沖個數(shù)；M法測速的分辨率 2022/7/31

17、485.3數(shù)字測速與濾波M法測速誤差率在上式中，Z 和 Tc 均為常值，因此轉速 n 正比于脈沖個數(shù)。高速時Z大，量化誤差較小，隨著轉速的降低誤差增大，轉速過低時將小于1，測速裝置便不能正常工作。所以，M法測速只適用于高速段。 2022/7/31495.3數(shù)字測速與濾波T法計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖 f0；PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請求；CPU 響應 INTn中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值 M2，并立即清零，重新計數(shù)。2022/7/31505.3數(shù)字測速與濾波計算公式式中，Z為PLG每轉輸出的脈沖個數(shù)；T法測速的分辨率 2022/7/31515.3數(shù)字測速與濾波T法測速

18、誤差率低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2多，所以誤差率小，測速精度高，故T法測速適用于低速段2022/7/31525.3數(shù)字測速與濾波M法測速在高速段分辨率強；T法測速在低速段分辨率強；因此，可以將兩種測速方法相結合，取長補短。既檢測 Tc 時間內旋轉編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，用來計算轉速，稱作M/T法測速。 2022/7/31535.3數(shù)字測速與濾波工作原理：T0定時器控制采樣時間；M1計數(shù)器記錄PLG脈沖；M2計數(shù)器記錄時鐘脈沖。2022/7/31542022/7/31555.3數(shù)字測速與濾波計算公式測速的分辨率 2022/7/31565.3數(shù)字測速與濾波檢測精度：低速時M/T法趨向于T法，在高速段M/T法相當于T法的 M1次平均，而在這 M1 次中最多產(chǎn)生一個高頻時鐘脈沖的誤差。由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉速的變化而變化，高速時，相當于M法測速，最低速時，M1=1，自動進入T法測速。因此， M/T法測速能適用的轉速范圍明顯大于前兩種。 M/T法測速可在較寬的轉速范圍內，具有較高的測速精度。是目前廣泛應用的一種測速方法。2022/7/31575.4數(shù)字PI調節(jié)器P