直流调速系统的数字控制.ppt

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1、 Shanghai university直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制第第 3 3 章章电力拖动自动控制系统 Shanghai university1 1。模拟系统的优、缺点。模拟系统的优、缺点：优点优点:物理概念清晰物理概念清晰;控制信号流向直观控制信号流向直观。缺点缺点:控制规律体现在硬件电路上，线控制规律体现在硬件电路上，线 路复杂、通用性差路复杂、通用性差;控制效果受到器件的性能、温度控制效果受到器件的性能、温度 等因素的影响。等因素的影响。问题的提出：问题的提出：Shanghai university2 2。计算机的发展为数字控制提供可能。计算机的发展为数字控制提供可能

2、单片机单片机数字信号处理器数字信号处理器 Shanghai university 3.1 3.1 微型计算机数字控制的主要特点微型计算机数字控制的主要特点q硬件电路标准化程度硬件电路标准化程度高高，不受器件温度漂不受器件温度漂移的影响；移的影响；q进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一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，般线性调节的控制规律，q控制软件更改灵活方便。控制软件更改灵活方便。q具有信息存储、数据通信和故障诊断等功具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。能。Shanghai university 微机数字控制系统的主要特点是微机数字控制系统的主要特点是离散化离散化

3、和和数字化数字化。离散化和数字化离散化和数字化计算机控制系统计算机控制系统 Shanghai university离散化离散化 对模拟的连续信对模拟的连续信号采样形成一连串号采样形成一连串的脉冲信号，即离的脉冲信号，即离散的模拟信号，这散的模拟信号，这就是离散化。就是离散化。Otf(t)原信号Onf(nT)1 2 3 4采样 Shanghai university数字化数字化 离散信号经保持器离散信号经保持器保持后，还须经过数保持后，还须经过数字量化，即用一组数字量化，即用一组数码（如二进制码）来码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号逼近离散的模拟信号。保持OnN(nT)Na(nT)（电电压压）

4、Nd(nT)（数码数码）Shanghai university 离散化和数字化的负面效应离散化和数字化的负面效应q 离散化离散化:时间上的不连续性。时间上的不连续性。q 数字化数字化:量值上的不连续性。量值上的不连续性。负面效应：负面效应：q 产生量化误差，影响控制精度和平滑产生量化误差，影响控制精度和平滑 性。性。q 滞后效应，提高控制系统传递函数分母滞后效应，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，甚至会破的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破 坏系统的稳定性。坏系统的稳定性。Shanghai university一。数字量化一。数字量化 量量化化的的原原则则是是：在在保保

5、证证不不溢溢出出的的前前提提下下，精度越高越好。精度越高越好。存储系数显示量化的精度，其定义为存储系数显示量化的精度，其定义为 微微机机数数字字控控制制系系统统中中的的存存储储系系数数相相当当于于模拟控制系统中的反馈系数。模拟控制系统中的反馈系数。Shanghai university二。二。采样频率的选择采样频率的选择Shannon 采样定理采样定理:采样频率采样频率 fsam 应不小于信号最高频率应不小于信号最高频率 fmax 的的2倍，倍，即即 fsam 2 fmax。经采样及保持后，原信号的频谱不发生经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能明显的畸变，系统保持原

6、有的性能。Shanghai university采样频率采样频率 实际系统中信号的最高频率很难确定，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），尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其其频谱为频谱为 0 0 至至的连续函数，最高频率理的连续函数，最高频率理论上为无穷大。论上为无穷大。因此，难以直接用采样定理来确定系统因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。的采样频率。Shanghai university 系统采样频率的确定系统采样频率的确定 在一般情况下，可以令采样周期在一般情况下，可以令采样周期Tmin 为控制对象的最小时间常数。为控制对象的最小时间常数。

7、或用采样角频率或用采样角频率 sam c 为控制系统的截止频率。为控制系统的截止频率。Shanghai university三。三。微机数字控制系统的输入与输出变量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。可以是模拟量，也可以是数字量。模模拟拟输输入入量量必必须须经经过过A/DA/D转转换换为为数数字字量量，而模拟输出量必须经过而模拟输出量必须经过D/AD/A转换才能得到。转换才能得到。数数字字量量是是量量化化了了的的模模拟拟量量，可可以以直直接接参加运算。参加运算。Shanghai university1.1.系统给定系统给定a)模拟给定 b)数字给定 图3-1 模拟给

8、定和数字给定 Shanghai university2.2.状态检测状态检测 状状态态量量检检测测的的作作用用 ：构构成成反反馈馈控控制制，保护和故障诊断信息的来源。保护和故障诊断信息的来源。1 1）转速检测：）转速检测：模拟和数字检测方法模拟和数字检测方法。2 2）电流和电压检测）电流和电压检测：一般用一般用A/DA/D转换转换。Shanghai university极性转换极性转换 多多数数状状态态量量为为双双极极性性（大大小小和和方方向向），A/D转转换换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。电路一般是单极性的，必须进行极性转换。经经A/D转转换换后后得得到到以以偏偏移移码码表表示示的的

9、数数字字量量，再再用软件将偏移码变换为原码或补码。用软件将偏移码变换为原码或补码。Shanghai university3.3.输出变量输出变量 用用开开关关量量直直接接控控制制功功率率器器件件的的通通断断，也也可可以以用用经经D/A转转换换得得到到的的模拟量去控制功率变换器。模拟量去控制功率变换器。Shanghai university3.2 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件硬件和软件 下标“dig”表示数字量 图图3-33-3微机数字控制的双闭环直流调速系统微机数字控制的双闭环直流调速系统 Shanghai university一。一。微机

10、数字控制双闭环直流调速系统的微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构硬件结构 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系统组成：系统组成：主电路主电路检测电路检测电路控制电路控制电路给定给定与与显示电路显示电路 Shanghai university图3.4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图 Shanghai university主回路主回路 微机数字控制双闭环直流调速系统微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的主电路中的UPE有两种方式：有两种方式：l直流直流PWM功率变换器功率变换器l晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器 Shanghai univer

11、sity检测回路检测回路 检测回路包括电压、电流、温度和检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）。转速检测（数字测速）。Shanghai university故障综合故障综合 对电压、电流、温度等信号进行对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即通知微机，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。以便及时处理，避免故障进一步扩大。Shanghai university数字控制器数字控制器专为电机控制设计的微处理器：专为电机控制设计的微处理器：除了带有除了带有A/D转换器、通用转换器、通用I/O和通信接口，和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护

12、、数字还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和测速和PWM生成功能，生成功能，如：如：Intel 8X196MC系列系列或或TMS320X240系列系列等。等。Shanghai university二。二。微机数字控制双闭环直流微机数字控制双闭环直流调速系统的调速系统的控制控制软件软件 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：有：主程序主程序初始化子程序初始化子程序中断服务子程序等中断服务子程序等 Shanghai university主程序主程序 完成实时完成实时性要求不高的性要求不高的功能，功能，系统初系统初始化后，键盘始化后，键盘处理、刷新显处理、

13、刷新显示、数据通信示、数据通信等功能等功能。图3.5 主程序 Shanghai university初始化子程序初始化子程序 硬件工作硬件工作方式的设定、方式的设定、系统运行参系统运行参数和变量的数和变量的初始化等。初始化等。图3.6初始化子程序 Shanghai university中断服务子程序中断服务子程序 实时性强，实时性强，由相应的中断源提出申请，由相应的中断源提出申请，CPUCPU实时响应。实时响应。q转速调节中断子程序（转速调节中断子程序（中断级别最低中断级别最低）q电流调节中断子程序（电流调节中断子程序（中断级别居中中断级别居中）q故障保护中断子程序故障保护中断子程序（优先级别

14、最高）（优先级别最高）Shanghai university转速调节中断转速调节中断子程序子程序转速反馈转速反馈转速调节转速调节启动测启动测速速图3.7 转速调节中断子程序 Shanghai university电流调节中断子程序电流调节中断子程序电流反馈电流反馈电流调节电流调节PWM生成生成图3.8电流调节中断子程序 Shanghai university故障保护中断故障保护中断子程序子程序封锁封锁PWM输出输出分析故障原因分析故障原因显示故障并报警显示故障并报警图3.9 故障保护中断子程序 Shanghai university3.3 3.3 数字测速与滤波数字测速与滤波 检测光电式检测光

15、电式旋转编码器旋转编码器与转速成正比与转速成正比的脉冲，然后计算转速。的脉冲，然后计算转速。数字测速方法：数字测速方法：（1）M法法脉冲直接计数法脉冲直接计数法 （2）T 法法脉冲时间计数法脉冲时间计数法 （3）M/T法法脉冲时间混合计数脉冲时间混合计数法法 Shanghai university旋转编码旋转编码器器 光电式旋光电式旋转编码器转编码器是转速或是转速或转角的检转角的检测元件。测元件。图3-10 增量式旋转编码器示意图 Shanghai university一。一。数字测速精度指标数字测速精度指标（1）分辩率）分辩率 改变一个计数字所对应的转速变化量改变一个计数字所对应的转速变化量

16、来表示分辨率来表示分辨率Q。Q 越小，测速装置的分辩能力越强。越小，测速装置的分辩能力越强。Shanghai university（2 2）测速精度）测速精度 测量值与实际值的相对误差来表示，测量值与实际值的相对误差来表示，的大小与测速方法有关。的大小与测速方法有关。Shanghai university二。二。M M法测速法测速PLG倍频电路BusZ 记录记录Tc时间内时间内旋转旋转编码器编码器PLG发出的发出的脉冲数脉冲数M1，则则 Z=倍频系数倍频系数PLG光光栅数栅数。图3-11 测速原理与波形图Counter Shanghai universityM M法测速的分辨率和误差法测速的分

17、辨率和误差率率M法测速适用于高速法测速适用于高速。分辨率分辨率误差率误差率 Shanghai universityPLG倍频电路ConterCPUINTnf0三。三。T T法测速法测速 记录记录PLG一个脉冲一个脉冲间间的高频脉冲个数的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，为高频脉冲频率，则则图3-12 电路与波形 Shanghai universityT法测速的分辨率和法测速的分辨率和误差误差率率 分辨率分辨率误差率误差率 T法测速适用于低速段法测速适用于低速段。Shanghai university M/T法既检测法既检测 Tc 时间内时间内PLG输出的输出的脉冲个数脉冲个数M1，又检测相

18、同时间间隔的高又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数频时钟脉冲个数M2。应保证高频时钟脉冲计数器与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，以减输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差。小误差。四。四。M/TM/T法测速法测速 Shanghai universityM/TM/T法测速波形法测速波形图图图3-13 测速原理与波形图C Shanghai universityM/TM/T法测速法测速转速计算转速计算误差率误差率M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高法测速适用的转速范围宽，测速精度高。Shanghai university五。数字滤波五。数字滤波常用滤波方法：常用滤

19、波方法：算术平均值滤波算术平均值滤波中值滤波中值滤波中值平均滤波中值平均滤波 Shanghai university1.算术平均值滤波算术平均值滤波优点：算法简单。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缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。Shanghai university加权算术平均值滤波加权算术平均值滤波其中，其中，在一般情况下在一般情况下 Shanghai university取中值取中值X2为有效信号，舍去为有效信号，舍去X1和和X3。中值滤波能有效地滤除偶然型干扰脉冲（作用时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

20、相对较长（大间短、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。于采样时间）则无能为力。2中值滤波中值滤波将最近连续三次采样值排序，使得将最近连续三次采样值排序，使得 Shanghai university3中值平均滤波中值平均滤波设有设有N次采样值，排序后得次采样值，排序后得 去去掉掉最最大大值值X XN N和和最最小小值值X X1 1，剩剩下下的的取取算算术术平平均均值值即即为滤波后的值，为滤波后的值，中中值值平平均均滤滤波波是是中中值值滤滤波波和和算算术术平平均均值值滤滤波波的的结结合合，既既能能滤滤除除偶偶然然型型干干扰扰脉脉冲冲，又又能能平平滑滑滤滤波波，但但程序较

21、为复杂，运算量较大。程序较为复杂，运算量较大。Shanghai university3.4 3.4 数字数字PIPI调节器调节器模拟模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化改进的数字改进的数字PIPI算法算法 Shanghai university一。模拟一。模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化 当采样频率足够高时，可以先按模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，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。这就是模拟调节器的数字化。Shanghai university PIPI调节器的传

22、递函数调节器的传递函数PI调节器调节器时域表达式时域表达式其中其中 KP=Kpi 为比例系数为比例系数 KI=1/为积分系数为积分系数 Shanghai university PIPI调节器的差分方程调节器的差分方程将上式离散化成差分方程将上式离散化成差分方程，其第，其第 k 拍输出为拍输出为其中其中，Tsam为为采样周期采样周期 Shanghai university位置式数字位置式数字PIPI调节器算法调节器算法积分部分积分部分：比例部分比例部分：PI调节器的输出调节器的输出：Shanghai university增量增量式式PIPI调节器算法调节器算法PIPI调节器的输出调节器的输出 S

23、hanghai university 限幅值设置限幅值设置 增量增量式式PI调节器算法只需调节器算法只需输出限幅输出限幅；位置式算法必须设置位置式算法必须设置积分限幅积分限幅和和输输出限幅出限幅，缺一不可。，缺一不可。Shanghai university PIPI调节器算法流程调节器算法流程图3-17 Shanghai university二。改进的数字二。改进的数字PIPI算法算法 微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数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，可以衍生出多值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进种改进的的PIPI算法，提高系统的控制性能。

24、算法，提高系统的控制性能。积分分离算法积分分离算法分段分段PIPI算法算法 Shanghai university1.1.积分分离算法积分分离算法基本思想基本思想 在微机数字控制系统在微机数字控制系统中，把中，把 P 和和 I 分开。当分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差大时，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。大的退饱和超调。Shanghai university 积分分离算法积分分离算法积分分离算法表达式为

25、积分分离算法表达式为其中其中 为一常值为一常值。积分分离法能有效抑制振荡，或减小超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。调，常用于转速调节器。Shanghai university2 2分段分段PIPI算法算法 分段分段PI算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段盾，分段PI算法的表达式与式离散算法的表达式与式离散PI算法完全一算法完全一样，样，但有两套或多但有两套或多套套PI参数，可根据转速或（和）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。电流偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。Shanghai university谢谢谢谢!