电力拖动自动控制系统陈伯时312直流调速系统的数字控制PPT课件

1、1主要内容主要内容 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 3.2 3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件 3.3 3.3 数字测速与滤波数字测速与滤波 3.4 3.4 数字数字PIPI调节器调节器 * *3.5 3.5 按离散控制系统设计数字控制器按离散控制系统设计数字控制器 * *3.6 3.6 故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断第1页/共45页2 学习要点： 1. 1. 介绍：离散化、数字化；介绍：离散化、数字化； 2. 2. 数字量化和采样频率选择；数字量化和采样频率选择； 3. 3. 控

2、制系统的输入、输出变量控制系统的输入、输出变量; ; 4. 4.介绍数字控制双闭环直流调速系统的硬件介绍数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件。电路和软件。 重点： 数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件的结构。软件的结构。 第2页/共45页3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

3、响。 第3页/共45页43.1 3.1 微型计算机数字控制的主要特微型计算机数字控制的主要特点点q硬件电路标准化程度高硬件电路标准化程度高，不受器件温度不受器件温度漂移的影响；漂移的影响；q进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于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，一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具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。功能。第4页/共45页5 微机数字控制系统的主要特点微机数字控制系统的主要特点是是离散化离散化和和数字化数字化。离散化和数字化离散化和数字化第5页/共45页6Otf(t)原

4、信号Onf(nT)1 2 3 4采样离散化 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。第6页/共45页7数字化数字化 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OnN(nT)Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）第7页/共45页8 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: :时间上的不连续性；q 数字化: :量值上的不连续性。 负面效应：负面效应：q A/D转换的量化误差，影响控制精度和平滑性。q D/A转换的滞后效应，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

5、的稳定性。第8页/共45页93.1.13.1.1数字量化数字量化 量化的原则是：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。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。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第9页/共45页103.1.2 3.1.2 采样频率的选择采样频率的选择Shannon Shannon 采样定理采样定理: : f fsamsam应不小于信号最高频率应不小于信号最高频率 f fmax max 的的

6、2 2倍，即倍，即 f fsamsam2 2f fmax max 这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的这样，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。性能。第10页/共45页11采样频率采样频率 实际系统中信号的最高频率很难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（系统的过确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为渡过程），其频谱为 0 0 至至的连续函数，的连续函数，最高频率理论上为无穷大。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因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。统的采样频率。 第11页

7、/共45页12 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T Tminmin为控制对象的最小时间常数。为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率或用采样角频率 sam sam min1041TTsam c c 为控制系统的截止频率为控制系统的截止频率。csam)104(第12页/共45页133.1.3 3.1.3 微机数字控制系统的输入与微机数字控制系统的输入与输出变量输出变量 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: : 模拟输入量必须经过模拟输入量必须经过A/DA/D转换为数转换为数字量，而模拟输出量必须经过字量，而模拟输

8、出量必须经过D/AD/A转换转换才能得到。才能得到。 数字量是量化了的模拟量，可以数字量是量化了的模拟量，可以直接参加运算。直接参加运算。第13页/共45页14(1).(1).系统给定系统给定a)模拟给定 b)数字给定 第14页/共45页15(2). (2). 状态检测状态检测 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 1）转速检测：）转速检测：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：一般需要A/D转换。第15页/共45页16转速检测 转速检测有模拟和数字两种检测方转速检测有模拟和数字两种检测方法：法： （1 1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出）模拟

9、测速一般采用测速发电机，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（尤其在可逆系统中），方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。转速的方向也是不可缺少的。 因此必须经过适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当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经电压信号，经A/D A/D 转换后得到的数字量送入微转换后得到的数字量送入微机。机。 （2 2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往）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，即数字测速。往需要采用旋转编码器测速，即

10、数字测速。第16页/共45页17 测速基本方式测速基本方式第17页/共45页18极性转换极性转换 多数状态量为双极性（大小和方向），A/DA/D转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。 经A/DA/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。第18页/共45页19原码、补码和偏移码原码、补码和偏移码实际值原码补码偏移码1277FH7FHFFH000H00H80H-127FFH81H01H-12880H00H第19页/共45页20(3). (3). 输出变量输出变量 可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/AD/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。第20页/共

11、45页213.2 3.2 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 的硬件和软件的硬件和软件3.2.0系统组成方式 数字控制直流调速系统的组成方式大数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种：致可分为三种： 1. 1. 数模混合控制系统数模混合控制系统 2. 2. 数字电路控制系统数字电路控制系统 3. 3. 微型计算机控制系统微型计算机控制系统第21页/共45页221).数模混合控制系统U*nUnU*iUcUi-数字电路-功率放大电路第22页/共45页23数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；数字调节器；电流调节器采用

12、数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。脉冲触发装置则采用模拟电路。第23页/共45页242).数字电路控制系统数字电路主电路-Uc特点：特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节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器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成第24页/共45页253).微机数字控制系统主电路微机控制电路-U*nUnUiU*iUc第25页/共45页26 在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系在数字装置中，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：统的特点：双闭环系统结构，采用微

13、机控制；双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；定和检测；采用数字采用数字PIPI算法，由软件实现转速、算法，由软件实现转速、电流调节电流调节第26页/共45页273.2.1 3.2.1 微机数字控制双闭环直流调微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构速系统的硬件结构 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第27页/共45页28 下标“digdig”表示数字量 UPEACRFBSMASRKK-*digndignddigI*ddigI微机-+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

14、环直流调速系统第28页/共45页29微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图电容串联提高耐压等级第29页/共45页30主回路主回路 微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPEUPE有两种方式：直流PWMPWM功率变换器晶闸管可控整流器第30页/共45页31检测回路检测回路 检测回路包括电压、电流、温检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）度和转速检测（数字测速）,其中：其中：l转速检测用数字测速；转速检测用数字测速；l电压、电流和温度检测由电压、电流和温度检测由 A/D A/D 转换通转换通道变为数字量送入微机。道变为数字量送入微机。第31页/共45页32电流和电压检测 电

15、流和电压检测除了用来构成相电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。障诊断信息的来源。电流、电压信号电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经定的处理后，经A/DA/D转换送入微机转换送入微机，其处理方法与转速相同。其处理方法与转速相同。第32页/共45页33电流检测方法（1 1）电流互感器）电流互感器电流检测电路 TA电流互感器U U0 0第33页/共45页34（2）霍尔效应电流变换器 UH = KH B IcKH为霍尔常数；B为与被测电流Id成正比的磁通密度；Ic为控制电流

16、。R1R0A1R0R1UHIdIcUi第34页/共45页35故障综合故障综合 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。 第35页/共45页36数字控制器数字控制器专为电机控制设计的微处理器： 除了带有A/DA/D转换器、通用I/OI/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PWMPWM生成功能。如：Intel 8X196MCIntel 8X196MC系列或TMS320X240TMS320X240系列等。（见“电机控制专用集成电路”相关资料）第36页/共45页373.2.2 3.2.2 微机数字控制双闭环直流调微机数字控

17、制双闭环直流调速系统的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有： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等第37页/共45页38主程序主程序 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。开始系统初始化键处理刷新显示数据通信有键按下吗？YN第38页/共45页39初始化子程序初始化子程序 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、键盘工作方式返回第39页/共45页40中断服务子程序中断服务子程序 实时性强，由相应的中断源提出申请，CPUCPU实时响应。 q转速调节中断子程序（中断级别最低）q电流调节中断子程序（中断级别居中）q故障保护中断子程序（优先级别最高）第40页/共45