第5章直流調速系統的數字控制電力拖動自動控制系統

-運動控制系統2025/4/221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2025/4/222內容提要前面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。2025/4/223內容提要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。2025/4/2245.1 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2025/4/2255.1 微型計算機數字控制的主要特點離散化：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。2025/4/226Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣5.1 微型計算機數字控制的主要特點數字化：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。2025/4/227數字化OnN(nT)5.1 微型計算機數字控制的主要特點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。2025/4/2285.1 微型計算機數字控制的主要特點離散化和數字化的負面效應（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。2025/4/2295.1 微型計算機數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。2025/4/22105.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數字控制直流調速系統的組成方式大致可分為三種：1.數模混合控制系統2.數字電路控制系統3.計算機控制系統2025/4/22115.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數模混合控制系統2025/4/22122025/4/22U*nUnU*iUcUi-數字電路~--5.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數模混合控制系統特點：轉速采用模擬調節器，也可采用數字調節器；電流調節器采用數字調節器；脈沖觸發裝置則采用模擬電路。2025/4/2213數字電路主電路--~U*nUnU*iUiUc5.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數字電路控制系統2025/4/22145.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數字電路控制系統特點：除主電路和功放電路外，轉速、電流調節器，以及脈沖觸發裝置等全部由數字電路組成。2025/4/2215主電路微機控制電路-~U*nUnUiU*iUc5.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件計算機控制系統2025/4/22165.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件計算機控制系統在數字裝置中，由計算機軟硬件實現其功能，即為計算機控制系統。系統的特點：雙閉環系統結構，采用微機控制全數字電路，實現脈沖觸發、轉速給定和檢測采用數字PI算法，由軟件實現轉速、電流調節2025/4/22175.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件微機數字控制雙閉環直流調速系統硬件結構如圖所示，系統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2025/4/22182025/4/22195.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件主回路——微機數字控制雙閉環直流調速系統主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器2025/4/22205.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統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轉換通道變為數字量送入微機；轉速檢測用數字測速。2025/4/22215.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件轉速檢測有模擬和數字兩種檢測方法：模擬測速一般采用測速發電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，還包含了轉速的方向，在調速系統中（尤其在可逆系統中），轉速的方向也是不可缺少的。因此必須經過適當的變換，將雙極性的電壓信號轉換為單極性電壓信號，經A/D轉換后得到的數字量送入微機。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，然后進行閉環控制。2025/4/22225.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件轉速檢測有模擬和數字兩種檢測方法：對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速2025/4/22235.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件轉速檢測有模擬和數字兩種檢測方法：2025/4/22245.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統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。2025/4/2225~5.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件電流互感器2025/4/22265.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件霍爾效應電流變換器UH=KHBIcKH為霍爾常數；B為與被測電流成正比的磁通密度；Ic為控制電流。2025/4/2227R1R0A1R0R1UHIdIcUiR1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi5.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件信號隔離與轉換2025/4/22285.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統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勢所在。2025/4/22295.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件數字控制器——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。2025/4/22305.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件系統給定——系統給定有兩種方式：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A/D轉換為數字量，再參與運算數字給定：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。2025/4/22315.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件系統給定——系統給定有兩種方式：2025/4/22325.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件鍵盤與顯示電路2025/4/22335.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件輸出變量——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。2025/4/22345.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件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。2025/4/22355.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統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。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。2025/4/22362025/4/22375.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統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2025/4/22382025/4/22395.2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件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。2025/4/22405.3 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2025/4/22415.3 數字測速與濾波分辯率：設被測轉速由n1變為n2時，引起測量計數值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q=n1-n2（轉/分）

Q越小，測速裝置的分辯能力越強；

Q越小，系統控制精度越高。2025/4/22425.3 數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。2025/4/22435.3 數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。檢測時間對系統的控制性能有很大影響。檢測時間越短，系統響應越快，對改善系統性能越有利。2025/4/22445.3 數字測速與濾波旋轉編碼器在數字測速中，常用光電式旋轉編碼器作為轉速或轉角的檢測元件。2025/4/22455.3 數字測速與濾波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：M法—脈沖直接計數方法；T法—脈沖時間計數方法；M/T法—脈沖時間混合計數方法。2025/4/22465.3 數字測速與濾波M法由計數器記錄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。2025/4/22475.3 數字測速與濾波計算公式式中，Z為PLG每轉輸出的脈沖個數；M法測速的分辨率

2025/4/22485.3 數字測速與濾波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。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。

2025/4/22495.3 數字測速與濾波T法計數器記錄來自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。2025/4/22505.3 數字測速與濾波計算公式式中，Z為PLG每轉輸出的脈沖個數；T法測速的分辨率

2025/4/22515.3 數字測速與濾波T法測速誤差率低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數M2多，所以誤差率小，測速精度高，故T法測速適用于低速段2025/4/22525.3 數字測速與濾波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M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數M2，用來計算轉速，稱作M/T法測速。2025/4/22535.3 數字測速與濾波工作原理：T0定時器控制采樣時間；M1計數器記錄PLG脈沖；M2計數器記錄時鐘脈沖。2025/4/22542025/4/22555.3 數字測速與濾波計算公式測速的分辨率

2025/4/22565.3 數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次中最多產生一個高頻時鐘脈沖的誤差。由于M/T法的計數值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。2025/4/22575.4 數字PI調節器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