第三章 直流调速系统的数字控制 本章知识点： 1）微型计算机数字控制的主要特点 2）微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和 软件 3）数字测速与滤波 4）数字PI调节器 5）用离散控制系统设计数字控制器 问题的提出 ： 前两章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；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 数字控制的主要特点： 计算机只能处理数字信号，与模拟控制系统相比 ，数字控制系统的主要特点是离散化和数字化： 离散化： 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 数字化： 采样后得到的离 散信号本质上还是模 拟信号，也是连续信 号（需采样保持）， 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) 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： 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。 D/A转换的滞后效应： 经过计算机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。 3.2 数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 3.2.1 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 AC U*n Un U*i Uc Ui - 数字电路 - M TG A/P / 3 TA ACR ASR A/D _ A/D D/A 数模混合控制系统特点： 1）转速采用模拟调节器，也可采用数字调节 器； 2）电流调节器采用数字调节器； 3）脉冲触发装置则采用模拟电路。 2. 数字电路控制系统 数字电路 主电路 - - U*n Un U*i Ui Uc M PLG D/PACRASR P/D / 3 AC TAA/D 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 M PLG D/PACRASR U * n + P/D / 3 AC TA U i Un UcU * i _ A/D 数字装置中如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： 1）双闭环系统结构，采用微机控制； 2）全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； 3）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 结构如图所示，系统由以下部分组成 1）主电路 2）检测电路 3）控制电路(数字控制器) 4）给定电路 5）显示电路 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图 主电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： 1）直流PWM功率变换器 2）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，其中： 1）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； 2）转速检测用数字测速。 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。 数字控制器：控制电路(数字控制器)由软 件实现两个控制器的功能。-软件 数字显示：显示出各变量的实际值 1. 转速检测 转速检测有模拟和数字两种检测方法： （1）模拟测速：采用测速发电机，其输出 电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速 的方向，在调速系统中，转速的方向也是不 可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双 极性的电压信号转换为单极性电压信号，经 A/D 转换后得到的数字量送入微机。 （2）数字测速：对于要求精度高、调速范围 大的系统，往往需要采用旋转编码器测速。 测速基本方式 TG PLG A/DI/O 逻辑控制 计数器 CPU CPU +5V （1）测速发电机转换电路 （2）光电码盘转换电路 电压隔离 2. 电流和电压检测 电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外 ，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压 信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后 ，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。 电流检测方法 电流互感器 ABC Ui U i0 模拟给定 数字给定 键盘与显示电路 输出变量微机系统的控制对象是功率变 换器（电力电子器件），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DSP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。 微机控制双闭环直流调速系统的软件有： 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 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。 3）中断服务子程序等。 主程序框图 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。 1）转速调节中断服务子程序 2）电流调节中断服务子程序 3）故障保护中断服务子程序 转速调节中断 服务子程序 电流调节中断 服务子程序 故障保护中断 服务子程序 保护现场 读入转速给定 计算转速 转速调节 允许测速 中断返回 恢复现场 保护现场 读入电流反馈 电流调节 PWM生成 启动A/D转换 中断返回 恢复现场 封锁PWM 输出 分析、判断 故障原因 显示故障 原因 故障报警 等待系统 复位 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。 3.3.1 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。 旋转编码器测速原理如下图所示 3.3 数字测速与滤波 光电转换 增量式旋转编码器 旋转编码器的检测原理 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 计算公式 注意时间单位 式中 Z为PLG每转输出的脉冲个数； M法测速的分辨率 Z值越大分辨率就越高 （3-1） M法测速误差率 在式中，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： 计数器记录来自CPU 的高频脉冲 f0； PLG每输出一个脉冲 ，中断电路向CPU发出 一次中断请求； CPU 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 PLG 中断电路 Conter CPU INTn f 0 PLG f0 m2 T法测速的分辨率 （3-2） 计算公式注意时间单位 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。 M法测速在高速段分辨率强； T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。 两种测速方法的比较 M/T法数字测速软件 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。 问题的提出：在检测到的信号中，有随机干 扰信号混合在采样信号中，有些信号难以用 常规的硬件滤波电路来滤除干扰，特别是对 脉冲信号的干扰，用数字滤波具有硬件不可 替代的特殊功能，所以要采用数字滤波的方 法。 3.3.2 数字滤波方法 1、算术平均值滤波 工作原理： 将N次采样值X1、X2、X3、XN，求和后除N， 得到其平均值，其特点是简单，但需要较多次的采样 才有明显的平滑效果。 计算方法为： 2、中值滤波 工作原理： 将3次采样值X1、X2、X3按大小排序，取其中值 ，其特点是简单，不需要较多次的采样。 计算方法： X1X2X3时，取X2为计算值。 3、中值平均值滤波 工作原理： 将N次采样值X1、X2、X3、XN，按大小排 序后X1X2、 XN ，去掉最大和最小值后， 剩余的值求和后除N-2，得到其平均值，其特点是 即可滤除干扰又可达到平滑，但需要复杂的运算 ，程序量大。 计算方法为： 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 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