直流调速系统的数字控制 第 3 章 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 内容提要 n微型计算机数字控制的主要特点 n微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件和软件 n数字测速与滤波 n数字PI调节器 n用离散控制系统设计数字控制器 3. 0 问题的提出 前两章中论述了直流调速系统的基本规 律和设计方法，所有的调节器均用运算放 大器实现，属模拟控制系统。 模拟系统具有物理概念清晰、控制信号 流向直观等优点，便于学习入门，但其控 制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到 器件的性能、温度等因素的影响。 以微处理器为核心的数字控制系统（简 称微机数字控制系统）硬件电路的标准化 程度高，制作成本低，且不受器件温度漂 移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断 和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。 3. 1 微型计算机数字控制的主要特点 总之，微机数字控制系统的稳定性好， 可靠性高，可以提高控制性能，此外，还 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模 拟控制系统无法实现的功能。 由于计算机只能处理数字信号，因此， 与模拟控制系统相比，微机数字控制系统 的主要特点是离散化和数字化： n离散化： 为了把模拟的连 续信号输入计算机 ，必须首先在具有 一定周期的采样时 刻对它们进行实时 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。 Ot f(t) 原信号 On f(nT) 1 2 3 4 采样 n数字化： 采样后得到的离 散信号本质上还是 模拟信号，还须经 过数字量化，即用 一组数码（如二进 制码）来逼近离散 模拟信号的幅值， 将它转换成数字信 号，这就是数字化 。 数字化 On N(nT) n 离散化和数字化的负面效应 离散化和数字化的结果导致了时间上和 量值上的不连续性，从而引起下述的负面 效应： （1）A/D转换的量化误差：模拟信号可 以有无穷多的数值，而数码总是有限的， 用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生 量化误差，影响控制精度和平滑性。 （2） D/A转换的滞后效应：经过计算机 运算和处理后输出的数字信号必须由数模 转换器D/A和保持器将它转换为连续的模 拟量，再经放大后驱动被控对象。但是， 保持器会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。 随着微电子技术的进步，微处理器的运 算速度不断提高，其位数也不断增加，上 述两个问题的影响已经越来越小。 但微机数字控制系统的主要特点及其负 面效应需要在系统分析中引起重视，并在 系统设计中予以解决。 返回目录 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统 的硬件和软件 3.2.0 系统组成方式 数字控制直流调速系统的组成方式大 致可分为三种： 1. 数模混合控制系统 2. 数字电路控制系统 3. 计算机控制系统 1. 数模混合控制系统 U*n Un U*i Uc Ui - 数字电路 - 转速采用模 拟调节器， 也可采用数 字调节器 数字调 节器 脉冲触发装置则 采用模拟电路 特点： 2. 数字电路控制系统 数字电路 主电路 - - U*n Un U*i Ui Uc 数字电路控制系统特点： 除主电路和功放电路外， 转速、电流调节器，以及 脉冲触发装置等全部由数 字电路组成。 3. 计算机控制系统 主电路 微机控制电路 - U*n Un Ui U*iUc 在数字装置中，由计算机软硬件实现其功 能 ，即为计算机控制系统。系统的特点： n双闭环系统结构，采用微机控制； n全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测 ； n采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节 。 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 件结构如图3-4所示，系统由以下部分组 成 主电路 检测电路 控制电路 给定电路 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 n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： l直流PWM功率变换器 l晶闸管可控整流器 三相交流电源经不可控整流器变换为电压 恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得 到可调的直流电压，给直流电动机供电。 n检测回路检测回路包括电压、电流、 温度和转速检测，其中： l电压、电流和温度检测由 A/D 转换 通道变为数字量送入微机； l转速检测用数字测速。 n故障综合利用微机拥有强大的逻辑 判断功能，对电压、电流、温度等信号 进行分析比较，若发生故障立即进行故 障诊断，以便及时处理，避免故障进一 步扩大。这也是采用微机控制的优势所 在。 n数字控制器数字控制器是系统的核心 ，可选用单片微机或数字信号处理器（ DSP）比如：Intel 8X196MC系列或 TMS320X240系列等专为电机控制设计的微 处理器，本身都带有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，可 大大简化数字控制系统的硬件电路。 n系统给定系统给定有两种方式： （1）模拟给定：模拟给定是以模拟量表示 的给定值，例如给定电位器的输出电压。 模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与 运算； （2）数字给定：数字给定是用数字量表示 的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或 采用通信方式由上位机直接发送见下图。 a) 模拟给定 b) 数字给定 n输出变量微机数字控制器的控制对象 是功率变换器，可以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。 随着电机控制专用单片微机的产生， 前者逐渐成为主流，例如Intel公司 8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列 单片微机可直接生成PWM驱动信号，经 过放大环节控制功率器件，从而控制功率 变换器的输出电压。 3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的 软件框图 微机数字控制系统的控制规律是靠软件 来实现的，所有的硬件也必须由软件实施 管理。微机数字控制双闭环直流调速系统 的软件有： n主程序 n初始化子程序 n中断服务子程序等。 1. 主程序完成实时性要求不高的功能， 完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新 显示、与上位计算机和其他外设通信等功 能。主程序框图见图3-5。 2. 初始化子程序完成硬件器件工作方式 的设定、系统运行参数和变量的初始化等 。初始化子程序框图见图3-6。 图3-5 主程序框图 图3-6 初始化子程序框图 3中断服务子程序 中断服务子程序完成实时性强的功能 ，如故障保护、PWM生成、状态检测和 数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中 断源提出申请，CPU实时响应。 n转速调节中断服务子程序 n电流调节中断服务子程序 n故障保护中断服务子程序 图3-7 转速调节中断 服务子程序框图 图3-8 电流调节中断 服务子程序框图 图3-9 故障保护中断 服务子程序框图 当故障保护引脚的电平发生跳变时申请 故障保护中断，而转速调节和电流调节均 采用定时中断。 三种中断服务中，故障保护中断优先级 别最高，电流调节中断次之，转速调节中 断级别最低。 返回目录 3.3 数字测速与滤波 n数字测速指标 n数字测速方法 nM/T 法测速电路 3.3.1 数字测速指标 （1）分辩率： 设被测转速由 n1 变为 n2 时，引起测量计数 值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为 Q = n1 - n2 （转/分） Q 越小，测速装置的分辩能力越强； Q 越小，系统控制精度越高。 （2）测速精度 测速精度是指测速装置对实际转速测 量的精确程度，常用测量值与实际值的 相对误差来表示，即 n测量误差 越小，测速精度越高，系统控 制精度越高。 n 的大小取决于测速元件的制造精度和测 速方法。 （3-7） （3）检测时间 Tc ： 检测时间是指两次转速采样之间的时间间 隔。检测时间对系统的控制性能有很大影响。 检测时间越短，系统响应越快，对改善系统 性能越有利。 3.3.2 数字测速方法 1. 旋转编码器 在数字测速中，常用光电式旋转编码器作 为转速或转角的检测元件。 旋转编码器与电动机相连，在码盘上均匀地 刻制一定数量的光栅，当电动机旋转时，码 盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不 断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置 的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉 冲序列，从而可以计算转速。此脉冲序列正 确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。 3.3.2 数字测速方法 1. 旋转编码器 为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收 装置，使两对发光和接收装置错开光栅节距的 1/4，则两组脉冲序列A和B的相位相差90o，如 下图，正转时A相超前B相；反转时B相超前A相 。采用简单的鉴相电路就要可以分辩出转向。 AA B B 正转反转 2. 测速原理 由光电式旋转编码器产生与被测转速成 正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为 以数字形式表示的转速值。 脉冲数字（P/D）转换方法： （1）M法脉冲直接计数方法； （2）T 法脉冲时间计数方法； （3）M/T法脉冲时间混合计数方法。 3. M法测速 工作原理： 由计数器记录PLG发出的 脉冲信号； 定时器每隔时间Tc向CPU 发出中断请求INTt； CPU响应中断后，读出计 数值 M1，并将计数器清零 重新计数； 根据计数值 M 计算出对 应的转速值 n。 测速原理与波形图 Q = n1 - n2 n计算公式 式中 Z为PLG每转输出的脉冲个数； nM法测速的分辨率 （3-1） nM法测速误差率 在上式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转速 n 正 比于脉冲个数。高速时Z大，量化误差较小，随 着转速的降低误差增大，转速过低时将小于1， 测速装置便不能正常工作。 所以，M法测速只适用于高速段。 4. T法测速 工作原理： n计数器记录来自CPU 的高频脉冲 f0； nPLG每输出一个脉冲 ，中断电路向CPU发 出一次中断请求； nCPU 响应 INTn中断 ，从计数器中读出计 数值 M2，并立即清 零，重新计数。 电路与波形 n计算公式 nT法测速的分辨率 （3-2） n法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测 得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小 ，测速精度高，故T法测速适用于低速段。 lM法测速在高速段分辨率强； lT法测速在低速段分辨率强； 因此，可以将两种测速方法相结合， 取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码 器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间 间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算 转速，称作M/T法测速。 n 两种测速方法的比较 5. M/T法测速 n工作原理： nT0定时器控制采 样时间； nM1计数器记录 PLG脉冲； nM2计数器记录 时钟脉冲。 n波形图： M/T法数字测速软件 n计算公式 n分辨率 n检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段 M/T法相当于T法的 M1次平均，而在这 M1 次中 最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具 有较高的测速精度。 （3-3） Tt=M2/f0 M法：T法： 小 结 由于M/T法的计数值M1和M2都随着转 速的变化而变化，高速时，相当于M法 测速，最低速时，M1=1，自动进入T法 测速。 因此M/T法测速能适用的转速范围明 显大于前两种。是目前广泛应用的一种 测速方法。 返回目录 3.4 数字PI调节器 n模拟PI调节器的数字化 n改进的数字PI算法 n智能型PI调节器 3.4.1 模拟PI调节器的数字化 PI调节器是电力拖动自动控制系统中最 常用的一种控制器，在微机数字控制系统 中，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，就可以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