陈伯时版电力拖动自动控制系统 第三章

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。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…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OnN(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ACU*nUnU*iUcUi-数字电路~--MTGA/P/3TAACRASRA/D_A/DD/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*nUnU*iUiUcMPLGD/PACRASRP/D/3ACTAA/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~MPLGD/PACRASRU*n+P/D/3ACTAUiUnUcU*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TGPLGA/DI/O逻辑控制计数器CPUCPU+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~ABCUiUi0+V微机A/D微机拨盘上位机键盘I/O通信接口模拟给定数字给定键盘与显示电路LED显示器BCD/7段码键盘矩阵8选1译码器8选1译码器A0-3S0-3R0-7D0-7CLKINT8279CPU7388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。主程序系统初始化键处理刷新显示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、键盘工作方式返回数据通信有键按下吗？YN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PLGCounterTimerBusCLKtTc...M1INTt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c160ZTMncc1c16060)1(60ZTZTMZTMQ（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。%1001%10060)1(60601c1c1c1maxMZTMZTMZTM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ConterCPUINTnf0PLGf0m2T法测速的分辨率2060ZMfn)1(6060)1(602202020MZMfZMfMZfQ（3-2）计算公式注意时间单位•Ｔ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。%10011%1006060)1(602202020maxMZMfZMfMZf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法数字测速软件开放旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2开放测速时间计数器Tc并允许中断禁止捕捉中断允许测速吗？YN禁止测速吗？关闭旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2保护现场中断返回恢复现场NY禁止测速开放捕捉中断保护现场中断返回恢复现场小结由于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：iNiXNY11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：X1≤X2≤X3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X1≤X2≤、、、≤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：iNiXNY1221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，这就是模拟调节器的数字化。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ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud)()(d)(1)()(IPpiPI调节器的差分方程式中Tsam为采样周期，KI=1/τ，KP=KPI)1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki将上式离散化成差分方程，其