直流调速系统的数字控制

1. 电力拖动自动控制系统 直流调速系统的数字控制 第 3 章

2. 问题的提出： 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。

3. 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

4. 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。

5. 离散化和数字化 微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。 计算机控制系统

6. f(t) 原信号 O t 采样 … 1 2 3 4 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。 f(nT) O n

7. N(nT) O n 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 Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）

8. 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。

9. 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。

10. 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。

11. 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。

12. 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 c 为控制系统的截止频率。

13. 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。

14. 1.系统给定 a) 模拟给定 b) 数字给定 图3-1 模拟给定和数字给定

15. 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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 图3-3 微机数字控制的双闭环直流调速系统

19. 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

20. 图3.4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图

21. 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

22. 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）。

23. 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。

24. 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。

25. 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

26. 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

27. 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。 图3.6初始化子程序

28. 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）

29. 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

30. 电流调节中断子程序 电流反馈 电流调节 PWM生成 图3.8电流调节中断子程序

31. 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 图3.9 故障保护中断子程序

32. 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

33. 旋转编码器 光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。 图3-10 增量式旋转编码器示意图

34. 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。

35. （2）测速精度 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。

36. 二。 M法测速 Z 倍频电路 PLG 记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则 Bus Counter Z=倍频系数×PLG光栅数。 图3-11测速原理与波形图

37. M法测速的分辨率和误差率 M法测速适用于高速。 分辨率 误差率

38. 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 三。 T法测速 INTn PLG 倍频电路 CPU Conter f 0 图3-12电路与波形

39. 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。

40. 四。 M/T法测速 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。

41. M/T法测速波形图 C 图3-13测速原理与波形图

42. M/T法测速 转速计算 误差率 M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。

43. 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

44. 1. 算术平均值滤波 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。

45. 加权算术平均值滤波 其中， 在一般情况下

46. 2．中值滤波 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。 将最近连续三次采样值排序，使得

47. 3．中值平均滤波 设有N次采样值，排序后得 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， 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。

48. 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

49. 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。

50. 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