直流调速系统的数字控制

直流调速系统的数字控制第3章电力拖动自动控制系统1。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。

问题的提出：2。计算机的发展为数字控制提供可能

单片机 数字信号处理器

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。离散化和数字化计算机控制系统离散化

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。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样数字化

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OnN(nT)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。一。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。二。采样频率的选择Shannon采样定理:

采样频率

fsam

应不小于信号最高频率

fmax

的2倍，即

fsam

≥

2fmax

。

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。三。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一。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：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。二。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

一。

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。二。M法测速PLG倍频电路BusZ

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CounterM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ConterCPUINTnf0三。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

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。

四。M/T法测速M/T法测速波形图图3-13

测速原理与波形图CM/T法测速转速计算误差率M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。五。数字滤波常用滤波方法：算术平均值滤波中值滤波中值平均滤波1.算术平均值滤波优点：算法简单。缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。加权算术平均值滤波其中，在一般情况下 取中值X2为有效信号，舍去X1和X3。 中值滤波能有效地滤除偶然型干扰脉冲（作用时间短、幅值大），当干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。2．中值滤波将最近连续三次采样值排序，使得3．中值平均滤波设有N次采样值，排序后得去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算术平均值即为滤波后的值，

中值平均滤波是中值滤波和算术平均值滤波的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。3.4数字PI调节器模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法一。模拟PI调节器的数字化

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3-17二。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