直流調速系統的數字控制第3章電力拖動自動控制系統內容提要微型計算機數字控制的主要特點微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數字測速與濾波數字PI調節器用離散控制系統設計數字控制器3.0問題的提出

前兩章中論述了直流調速系統的基本規律和設計方法，所有的調節器均用運算放大器實現，屬模擬控制系統。模擬系統具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優點，便于學習入門，但其控制規律體現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。

以微處理器為核心的數字控制系統（簡稱微機數字控制系統）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，可以實現不同于一般線性調節的最優化、自適應、非線性、智能化等控制規律，而且更改起來靈活方便。

3.1微型計算機數字控制的主要特點

總之，微機數字控制系統的穩定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數據通信和故障診斷等模擬控制系統無法實現的功能。由于計算機只能處理數字信號，因此，與模擬控制系統相比，微機數字控制系統的主要特點是離散化和數字化：離散化：為了把模擬的連續信號輸入計算機，必須首先在具有一定周期的采樣時刻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。Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣數字化：采樣后得到的離散信號本質上還是模擬信號，還須經過數字量化，即用一組數碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉換成數字信號，這就是數字化。數字化OnN(nT)

離散化和數字化的負面效應

離散化和數字化的結果導致了時間上和量值上的不連續性，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值，而數碼總是有限的，用數碼來逼近模擬信號是近似的，會產生量化誤差，影響控制精度和平滑性。

（2）D/A轉換的滯后效應：經過計算機運算和處理后輸出的數字信號必須由數模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續的模擬量，再經放大后驅動被控對象。但是，保持器會提高控制系統傳遞函數分母的階次，使系統的穩定裕量減小，甚至會破壞系統的穩定性。

隨著微電子技術的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數也不斷增加，上述兩個問題的影響已經越來越小。但微機數字控制系統的主要特點及其負面效應需要在系統分析中引起重視，并在系統設計中予以解決。

返回目錄3.2微機數字控制雙閉環直流調速系統

的硬件和軟件

主電路微機控制電路-~U*nUnUiU*iUcPLG

：PLUSEGENERATOR(脈沖發生器)也就是編碼器的簡寫。1.轉速檢測

2.電流和電壓檢測

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，需經過一定的處理后，經A/D轉換送入微機，其處理方法與轉速相同。數字控制器——數字控制器是系統的核心，可選用單片微機或數字信號處理器（DSP）比如：Intel8X196MC系列或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、數字測速和PWM生成功能，可大大簡化數字控制系統的硬件電路。

系統給定——系統給定有兩種方式：（1）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A/D轉換為數字量，再參與運算；（2）數字給定：數字給定是用數字量表示的給定值，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送見下圖。a)模擬給定

b)數字給定

輸出變量——微機數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，經過放大環節控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。

3.2.2微機數字控制雙閉環直流調速系統的

軟件框圖

微機數字控制系統的控制規律是靠軟件來實現的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。微機數字控制雙閉環直流調速系統的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務子程序等。1.主程序——完成實時性要求不高的功能，完成系統初始化后，實現鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能。主程序框圖見圖3-5。2.初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設定、系統運行參數和變量的初始化等。初始化子程序框圖見圖3-6。圖3-5主程序框圖

圖3-6初始化子程序框圖

3．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、狀態檢測和數字PI調節等,中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。轉速調節中斷服務子程序電流調節中斷服務子程序故障保護中斷服務子程序

圖3-7轉速調節中斷服務子程序框圖

圖3-8電流調節中斷服務子程序框圖

圖3-9故障保護中斷服務子程序框圖

當故障保護引腳的電平發生跳變時申請故障保護中斷，而轉速調節和電流調節均采用定時中斷。三種中斷服務中，故障保護中斷優先級別最高，電流調節中斷次之，轉速調節中斷級別最低。

返回目錄3.3數字測速與濾波數字測速指標數字測速方法M/T法測速電路2.測速原理由光電式旋轉編碼器產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字形式表示的轉速值。脈沖數字（P/D）轉換方法：（1）M法—脈沖直接計數方法；（2）T法—脈沖時間計數方法；（3）M/T法—脈沖時間混合計數方法。3.M法測速

工作原理：由計數器記錄PLG發出的脈沖信號；定時器每隔時間Tc向CPU發出中斷請求INTt；

CPU響應中斷后，讀出計數值M1，并將計數器清零重新計數；根據計數值M計算出對應的轉速值n。測速原理與波形圖Z為PLG每轉輸出的脈沖個數；4.T法測速工作原理：計數器記錄來自CPU的高頻脈沖f0；PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發出一次中斷請求；CPU響應INTn中斷，從計數器中讀出計數值M2，并立即清零，重新計數。電路與波形3.4數字PI調節器模擬PI調節器的數字化改進的數字PI算法智能型PI調節器

3.4.1模擬PI調節器的數字化

PI調節器是電力拖動自動控制系統中最常用的一種控制器，在微機數字控制系統中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統的設計方法設計調節器，然后再離散化，就可以得到數字控制器的算法，這就是模擬調節器的數字化。

PI調節器的傳遞函數PI調節器時域表達式其中Kp=Kpi

為比例系數

KI

=1/為積分系數

（3-13）（3-14）

PI調節器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期（3-15）

數字PI調節器算法

有位置式和增量式兩種算法：位置式算法——即為式(3-15)表述的差分方程，算法特點是：比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統過去所有偏差的累積。位置式PI調節器的結構清晰，P和I兩部分作用分明，參數調整簡單明了，但需要存儲的數據較多。增量式PI調節器算法PI調節器的輸出可由下式求得

（3-17）（3-18）增量式PID增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量Δu(k)對應的是本次執行機構位置的增量，而不是對應執行機構的實際位置，因此要求執行機構必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。執行機構的累積功能可以采用硬件的方法實現；也可以采用軟件來實現，如利用算式

u(k)=u(k-1)+Δu(k)程序化來完成。增量式算法優點：①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；②計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換

限幅值設置

與模擬調節器相似，在數字控制算法中，需要對u限幅，這里，只須在程序內設置限幅值u

m，當u(k)

>u

m時，便以限幅值u

m作為輸出。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅則兩者略有差異。增量式PI調節器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。

算法流程3.4.2改進的數字PI算法

PI調節器的參數直接影響著系統的性能指標。在高性能的調速系統中，有時僅僅靠調整PI參數難以同時滿足各項靜、動態性能指標。采用模擬PI調節器時，由于受到物理條件的限制，只好在不同指標中求其折衷。

而微機數字控制系統具有很強的邏輯判斷和數值運算能力，充分應用這些能力，可以衍生出多種改進的PI算法，提高系統的控制性能。積分分離算法分段PI算法積分量化誤差的消除

系統采樣頻率的確定

在一般情況下，可以令采樣周期Tmin

為控制對象的最小時間常數；或用采樣角頻率sam

c為控制系統的截止頻率。電流環0.0037Tsami=0.0037/4轉速環0.0174Tsamn=0.0174/4nUc*100IdIdL電流環Tsami=Timin