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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

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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：

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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

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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。

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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

控制算法 控制对象给定值

输出值

微型计算机

k1

k2

k3

反馈值

计算机控制系统

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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。

O t

f(t)

原信号

O n

f(nT)

1 2 3 4 …

采样

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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O n

N(nT)

Na(nT) （电压） Nd(nT) （数码）

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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。

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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。

物理量的实际值计算机内部存储值

K

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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 ≥ 2 fmax 。

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。

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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。

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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

min10~4

1TT sam

c 为控制系统的截止频率。csam )10~4(

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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。

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1. 系统给定

+V

微机A/D 微机

拨盘

上位机

键盘I/O

通信接口

a) 模拟给定 b) 数字给定

图 3-1 模拟给定和数字给定

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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。

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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。

电平转换 A/ D CPU

电压隔离

双极性

单极性摸拟量

数字量( )偏移码

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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。

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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

UPEACR

FBS

MASR

K

K

--

*dign

dign

ddigI

*ddigI

微机

-

+

~

图 3-3 微机数字控制的双闭环直流调速系统

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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

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图 3.4 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图

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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

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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）。

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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。

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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： Intel 8X196MC 系列或 TMS320X240 系列等。

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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

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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

开始

系统初始化

键处理

刷新显示

数据通信

有键按下吗？

Y

N

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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。

系统初始化

设定定时器、PWM、数字测速工作方式

参数及变量初始化

设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式

返回

图 3.6 初始化子程序

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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）

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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

保护现场

读入转速给定

计算转速

转速调节

允许测速

恢复现场

中断返回

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电流调节中断子程序电流反馈电流调节PWM 生成

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

图 3.8 电流调节中断子程序

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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

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

图 3.9 故障保护中断子程序

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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

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旋转编码器 光电式旋

转编码器是转速或转角的检测元件。

码盘

轴

发光装置 接收

装置

CCV

图 3-10 增量式旋转编码器示意图

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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。

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（ 2 ）测速精度 测量值与实际值的相对误差来表示，

%100

n

n

的大小与测速方法有关。

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二。 M 法测速PLG 倍频电路

Bus

Z

记录 Tc 时间内旋转编码器 PLG 发出的脉冲数 M1 ，则

c

160

ZT

Mn

Z= 倍频系数 ×PLG光栅数。 图 3-11 测速原理与波形图

Counter

cT

1M

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M 法测速的分辨率和误差率

M法测速适用于高速。

%1001

%10060

)1(60

60

1

c

1

c

1

c

1

max

M

ZTM

ZTM

ZTM

cc

1

c

1 6060)1(60

ZTZT

M

ZT

MQ

分辨率

误差率

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PLG 倍频电路

Conter

CPU

INTn

f0

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

2

060

ZM

fn

2M

02 fMTt

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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。

%1001

1%100

60

60

)1(

60

2

2

0

2

0

2

0

max

M

ZM

fZM

f

MZ

f

)1(

6060

)1(

60

22

0

2

0

2

0

MZM

f

ZM

f

MZ

fQ

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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

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M/T法测速波形图

图 3-13 测速原理与波形图

M1

T0 ΔT2

TΔT1

脉冲编码器输出脉冲

时钟脉冲

采样脉冲

M2

C

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M/T法测速转速计算

2

01

t

1 60

60

ZM

fM

ZT

Mn

%1001M

1%100

ZMfM60

ZM

fM60

)1M(Z

fM60

2

2

01

2

01

2

01

max

误差率

M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。

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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

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1. 算术平均值滤波

N

iiX

NY

1

1

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。

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加权算术平均值滤波

N

iii XaY

1

121 Naaa 其中，

Naaa 210

在一般情况下

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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

321 XXX

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3．中值平均滤波

设有N次采样值，排序后得

NXXX 21

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，

1

22

1 N

iiX

NY

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。

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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

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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。

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• 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

s

sK

sE

sUsW

1

)(

)()( pi

pi

tteKteKtteteKtu d)()(d)(1

)()( IPpi

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• 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

)1()()(

)()()()()(

IsamIP

IP1

samIP

kukeTKkeK

kukeKieTKkeKkuk

i

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位置式数字 PI 调节器算法积分部分： )1()()( IsamI kukeTKkuI

比例部分：

PI 调节器的输出：)()()( kukuku IP

)()( P keKkuP

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增量式 PI 调节器算法

PI 调节器的输出

)()1()(

)()1()()(

)1()()(

samIP

1

1samIP

1samIP

keTKkekeK

ieTKkeKieTKkeK

kukukuk

i

k

i

)()1()( kukuku

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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。

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• PI 调节器算法流程

计算偏差e(k)

N

Y

数字PI调节

Y

N

)1()()( kukeTKku IsamII

?)( maxukuI

max)( ukuI ?)( maxukuI

结束

N

Y

max)( uku

max)( ukuI

max)( uku

?)( maxuku

?)( maxuku

)()()( kukeKku IP

N

Y

A B C

A B C

图 3-17

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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

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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，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。

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积分分离算法

• 积分分离算法表达式为

k

i

ieTKCkeKku1

samIIP )()()(

其中

)(,0

)(,1I

ie

ieC δ 为一常值。

积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。

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2 ．分段 PI 算法

分段 PI 算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段 PI 算法的表达式与式离散 PI 算法完全一样，

但有两套或多套 PI参数，可根据转速或（和）电流偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。

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谢谢 !