第6章 电机的微机控制

1、 第第6 6章章电机的微机控制电机的微机控制功能功能l数值运算l逻辑判断l信息处理优点优点l新的控制策略l高精度的静态特性l高速度的动态响应l使得现代电机控制技术步入了高性能、智能化的新阶段 6.16.1电机的微机控制概述电机的微机控制概述一、电机采用微机控制的意义一、电机采用微机控制的意义和作用和作用l在在 20 20世纪世纪 80 80年代之前，电机控制都是由年代之前，电机控制都是由模拟电路模拟电路来实现，控制来实现，控制信号都是模拟量，使得控制系统结构复杂，控制精度不高信号都是模拟量，使得控制系统结构复杂，控制精度不高l从从 20 20世纪世纪 80 80年代起年代起, ,微处理器、单片

2、微机得到飞速发展，其运行微处理器、单片微机得到飞速发展，其运行速度加快，运算精度提高，处理能力增强，功能更加丰富，结构速度加快，运算精度提高，处理能力增强，功能更加丰富，结构更为简单，可靠性越来越高，已有足够能力完成实时性很强的电更为简单，可靠性越来越高，已有足够能力完成实时性很强的电机控制要求机控制要求l到了到了9090年代，微机技术进一步发展，出现年代，微机技术进一步发展，出现 32 32位信号处理器位信号处理器 （DSPDSP）以及精简指令集计算机以及精简指令集计算机 （RISCRISC）其强大的功能已使微机全数字控其强大的功能已使微机全数字控制的交流调速系统性能和精度优于模拟控制，使电

3、机传动系统成制的交流调速系统性能和精度优于模拟控制，使电机传动系统成为工厂自动化系统中的一级执行机构。为工厂自动化系统中的一级执行机构。l目前，工业先进国家应用的交流电机调速系统已基本实现全部微目前，工业先进国家应用的交流电机调速系统已基本实现全部微机数字化控制。机数字化控制。微机控制的电机控制系统微机控制的电机控制系统系统框图：图 6-1 微机控制的电机控制系统框图系统简介系统简介l系统中，电机是被控制对象，微机起控制器的作用，对给定、反馈系统中，电机是被控制对象，微机起控制器的作用，对给定、反馈等输入进行加工，按照选定的控制规律形成控制指令，输出数字控等输入进行加工，按照选定的控制规律形成

4、控制指令，输出数字控制信号。制信号。l输出的数字量信号有的经放大后可直接驱动诸如变流装置的数字脉输出的数字量信号有的经放大后可直接驱动诸如变流装置的数字脉冲触发部件，有的则要经冲触发部件，有的则要经 D/A D/A 转换变成模拟量，再经放大后对电转换变成模拟量，再经放大后对电机有关量进行调节控制。机有关量进行调节控制。l系统采用闭环控制时系统采用闭环控制时, ,反馈量由传感器检测。反馈量由传感器检测。l电机运行的给定控制参数和运行指令可以通过键盘、拨盘、按钮等电机运行的给定控制参数和运行指令可以通过键盘、拨盘、按钮等输入设备送入，电机运行的数据、状态可通过显示、打印等输出设输入设备送入，电机运

5、行的数据、状态可通过显示、打印等输出设备得到及时反映。备得到及时反映。1. 1. 微机在电机控制系统中实现的微机在电机控制系统中实现的主要功能主要功能l逻辑控制功能逻辑控制功能 可以代替模拟、数字电子线路和继电控制电路实现逻辑控可以代替模拟、数字电子线路和继电控制电路实现逻辑控制。制。l运算、调节和控制功能运算、调节和控制功能 可以利用软件实现各种控制规律，特别是较复杂的控制可以利用软件实现各种控制规律，特别是较复杂的控制规律。规律。l自动保护功能自动保护功能 可以对电源的瞬时停电、失压、过载，电机系统的过流、可以对电源的瞬时停电、失压、过载，电机系统的过流、过压、过载，功率半导体器件的过热和

6、工作状态进行保护或过压、过载，功率半导体器件的过热和工作状态进行保护或干预，使之安全运行。干预，使之安全运行。l故障监测和实时诊断功能故障监测和实时诊断功能 可以实现开机自诊断、在线诊断和离线诊断。可以实现开机自诊断、在线诊断和离线诊断。 2.2.电机系统采用微机控制具有的优越性电机系统采用微机控制具有的优越性l容易获得高精度的稳态调整性能容易获得高精度的稳态调整性能l可获得优化的控制质量可获得优化的控制质量l能方便灵活地实现多种控制策略能方便灵活地实现多种控制策略l提高系统工作的可靠性提高系统工作的可靠性不足不足由于数字控制一般是由一个由于数字控制一般是由一个 CPU CPU 来实现来实现的

7、，具有串行工作的特点，相比模拟控制中的，具有串行工作的特点，相比模拟控制中的多个模拟器件并行工作方式，数字控制的的多个模拟器件并行工作方式，数字控制的确存在一个运算速度的问题，这需要通过选确存在一个运算速度的问题，这需要通过选用高速微机或多微机并行处理来解决。用高速微机或多微机并行处理来解决。二、电机控制中应用的微机二、电机控制中应用的微机1.1.微处理器微处理器l8 8位机：如位机：如 Intel8080Intel8080、Intel8085Intel8085、Z80Z80、MC6800MC6800等等用于动态响应及调节精度要求不很高用于动态响应及调节精度要求不很高“控制功能较简单的调速控制

8、功能较简单的调速系统系统l1616位机位机: :如如 Intel8086Intel8086、Z8000Z8000、MC6800MC6800等等有很强的寻址能力、较高的运算速度，较短的指令执行时间有很强的寻址能力、较高的运算速度，较短的指令执行时间使用中常将微处理器和程序存储器使用中常将微处理器和程序存储器 EPROMEPROM、随机数据存储器随机数据存储器RAMRAM、定时定时/ /计数器、并行及串行计数器、并行及串行 I/OI/O口等电路组合在一起，做成通用口等电路组合在一起，做成通用微型计算机或工控（微型计算）机来使用微型计算机或工控（微型计算）机来使用2. 2. 单片微型计算机（单片机）

9、单片微型计算机（单片机）将将 一一 台台 微微 型型 计计 算算 机机 所所 应应 具具 有有 的的 功功 能能 电电 路路 （如（如 中中 央央 处处 理理 器器CPUCPU，程序存储器程序存储器 ROMROM或或 EPROMEPROM，随机数据存储器随机数据存储器 RAMRAM，定时定时/ /计数器，输入计数器，输入/ /输出接口等）集成在单一芯片上做成的输出接口等）集成在单一芯片上做成的计算机计算机l8 8位机：位机： MCS-51MCS-51系列、系列、6801 6801 、MC68HC11MC68HC11、Z8Z8、80C5180C51系列系列l1616位机：位机：MCS-96MCS

10、-96系列、系列、MK68200MK68200系列、系列、HPC1604HPC1604系列系列其中其中 MCS-96MCS-96系列是在我国较流行的十六位单片机系列是在我国较流行的十六位单片机232232个字节构成的寄存器陈列中每一个单元均可当作累加器使用，使个字节构成的寄存器陈列中每一个单元均可当作累加器使用，使 MCS-96MCS-96系列单片机如同有系列单片机如同有 232 232个累加器，从而大大加快了个累加器，从而大大加快了CPUCPU的数据处的数据处理能力和速度理能力和速度有高速输入有高速输入/ /输出单元输出单元 HSIHSI及及 HSOHSO，它们无须它们无须 CPU CPU

11、的干预就能自动依的干预就能自动依靠定时器等硬件电路支持高速地完成输入、输出操作，也就加快了微靠定时器等硬件电路支持高速地完成输入、输出操作，也就加快了微机的信息处理速度机的信息处理速度l3232位机位机DSPDSP：TMS320C24XTMS320C24X 指令周期指令周期 50 50nsns，包括乘法指令包括乘法指令 具有具有 PLLPLL锁相环时钟模块锁相环时钟模块 544544字字 1616位的片内位的片内 RAMRAM，8K8K字字 1616位的闪存位的闪存 8 8路路 10 10位位 A/DA/D转换通道，最快转换速度转换通道，最快转换速度 1.7 1.7usus 多达多达 12 1

12、2路路 PWMPWM输出，死区时间可编程；片内还专门设输出，死区时间可编程；片内还专门设计了生成电压空间矢量计了生成电压空间矢量 PWMPWM的硬件电路的硬件电路 4 4个接收单元，其中两个可用于光电解码正交脉冲的直个接收单元，其中两个可用于光电解码正交脉冲的直接输入接输入 2 2个个 16 16位定时器；位定时器；2626个个I/OI/O口，口，6 6个外部中断及定时监控个外部中断及定时监控器器( (看门狗看门狗) )，此外还有串行通讯模块、串行外设接口模，此外还有串行通讯模块、串行外设接口模块等块等三、电机微机控制系统的开发三、电机微机控制系统的开发1.1.任务确定任务确定对电机控制系统的

13、运行特点进行深入分析对电机控制系统的运行特点进行深入分析论证引入微机控制的必要性论证引入微机控制的必要性估算引入后带来的经济、技术综合效果，力争估算引入后带来的经济、技术综合效果，力争要有较高的性能要有较高的性能/ /价格比价格比确定电机控制系统中哪些功能采用微机来实现，确定电机控制系统中哪些功能采用微机来实现，或是采用微机全数字控制方案或是采用微机全数字控制方案2.2.总体方案总体方案 (1)(1)合理选择微机机型及合理选择微机机型及 I/OI/O接口电路是整个接口电路是整个电机微机控制系统总体设计的核心电机微机控制系统总体设计的核心字长字长内存容量内存容量外设和外设和I/OI/O接口扩充能

14、力接口扩充能力运算速度运算速度微机型式微机型式(2)(2)根据系统的功能和技术指标，选择合适的控根据系统的功能和技术指标，选择合适的控制方法，合理划分硬件、软件的分工制方法，合理划分硬件、软件的分工3.3.硬件设计硬件设计首先要在器件选用上尽可能地采用高集成度、能完成专门功能首先要在器件选用上尽可能地采用高集成度、能完成专门功能的数字器件的数字器件( (如单片微机，可编程逻辑门阵列等如单片微机，可编程逻辑门阵列等) )其次要切实注意系统的电磁兼容性其次要切实注意系统的电磁兼容性 (EMC)(EMC)，要使所研制的微机要使所研制的微机系统既有抗外界电磁干扰的能力，本身又不要成为一个对外的系统既有

15、抗外界电磁干扰的能力，本身又不要成为一个对外的电磁干扰源电磁干扰源v值得指出的是电机控制系统运行的可靠性与控制系统抗干扰的值得指出的是电机控制系统运行的可靠性与控制系统抗干扰的能力有很大关系。电机控制系统是一个交流与直流共存、强电能力有很大关系。电机控制系统是一个交流与直流共存、强电与弱电共存、模拟量与数字量共存、变流过程中有用的基波与与弱电共存、模拟量与数字量共存、变流过程中有用的基波与有害的谐波共存的复杂电磁、电子系统，这会使得微机数字控有害的谐波共存的复杂电磁、电子系统，这会使得微机数字控制的正常工作受到很大干扰和威胁。制的正常工作受到很大干扰和威胁。4. 4. 软件编程软件编程 控制软

16、件一般由主程序、若干子程序及中控制软件一般由主程序、若干子程序及中断处理程序构成。断处理程序构成。 为了提高实时性，中断处理程序应当尽量为了提高实时性，中断处理程序应当尽量短些，只需完成基本的、必不可少的工作。短些，只需完成基本的、必不可少的工作。 一些实时性要求不高的命令处理、表格计一些实时性要求不高的命令处理、表格计算、数据显示等，都应由主程序去完成。算、数据显示等，都应由主程序去完成。程序开发方法程序开发方法自底向上开发自底向上开发 首先对最低层模块首先对最低层模块( (子程序子程序) )进行编写，然后编写出一进行编写，然后编写出一个测试用的主程序来测试、调试每一个子程序。当这些低个测试

17、用的主程序来测试、调试每一个子程序。当这些低层模块正常工作后，再利用它们来开发较高层的模块层模块正常工作后，再利用它们来开发较高层的模块自顶向下开发自顶向下开发 先对最高层模块先对最高层模块( (主程序主程序) )进行编写，测试和调试，然进行编写，测试和调试，然后转入对低层模块后转入对低层模块( (子程序子程序) )进行编写，同时进行测试和调进行编写，同时进行测试和调试。最后，对正式完成的全部程序进行测试。试。最后，对正式完成的全部程序进行测试。 这种方法一般适合于采用高级语言进行程序设计。这种方法一般适合于采用高级语言进行程序设计。5. 5. 系统调试系统调试 对于大型的电机微机控制系统，只

18、要设计时对于大型的电机微机控制系统，只要设计时对硬件线路作适当安排，配置适当的监控软件对硬件线路作适当安排，配置适当的监控软件就可直接进行软、硬件调试。就可直接进行软、硬件调试。 对于采用单片机的电机控制系统，必须对于采用单片机的电机控制系统，必须要借助于仿真器之类的开发工具来调试目标程要借助于仿真器之类的开发工具来调试目标程序。序。 样机调试成功后，即可将目标程序固化样机调试成功后，即可将目标程序固化在单片机内部或外部在单片机内部或外部 EPROMEPROM中，完成整个电机中，完成整个电机微机控制系统的开发过程。微机控制系统的开发过程。6.2 6.2 电机微机控制中的基础技术电机微机控制中的

19、基础技术一、反馈量的检测一、反馈量的检测1.1.电流的检测电流的检测 (1)(1)电阻采样电阻采样图 6-2 电阻采样光电隔离式电流检测l如果电流比较小，可在待测电流的支路上串入小如果电流比较小，可在待测电流的支路上串入小值电阻，通过测量电阻上压降来计算电流大小值电阻，通过测量电阻上压降来计算电流大小l为实现强、弱电隔离，采用电阻采样光电隔离的为实现强、弱电隔离，采用电阻采样光电隔离的电流检测方式，如图电流检测方式，如图 6-2 6-2所示。所示。l图中，图中，I IL L 为被测电流，为被测电流，R R为采样电阻，为采样电阻，V V为光电耦为光电耦合器，合器，A A为运算放大器，为运算放大器

20、，U UO O 为输出电流信号。为输出电流信号。l图图 ( (b)b)是一种带非线性补偿的改进电路，它使用是一种带非线性补偿的改进电路，它使用运算放大器运算放大器 A A1 1提高电阻压降检测灵敏度，采用运提高电阻压降检测灵敏度，采用运算放大器算放大器 A A2 2及光电耦合器及光电耦合器 V V2 2 提高电流检测的线性提高电流检测的线性度。度。说明说明(2)磁场平衡式霍尔电流检测器 (LEM 模块)优点优点l测量精度高测量精度高l线性度好线性度好l响应快响应快l隔离彻底隔离彻底检测原理检测原理 如图如图6-36-3所示，设磁场强度为所示，设磁场强度为B B的外磁场的外磁场垂直穿过垂直穿过H

21、LHL，1 1、3 3端送入恒定的控制电流端送入恒定的控制电流 I I，则在则在 HLHL的的 4 4、2 2端将感应出霍尔效应电压端将感应出霍尔效应电压 (6-1) (6-1) 式中式中 霍尔系数霍尔系数 电流流向与磁力线间夹角电流流向与磁力线间夹角 不等位电动势不等位电动势 如果磁场强度为如果磁场强度为B B的外磁场是由被测电的外磁场是由被测电流流 产生产生，即即 ，则将有，则将有 (6-2)(6-2) 故测得故测得 s s 即等效测即等效测 。图 6-3 霍尔元件工作原理图 (磁场垂直于 HL平面)OHHUBIkU0sin)(Hk0OULILIB LILHIULEM LEM 模块原理模块

22、原理l LEM LEM 模块结构如图模块结构如图 6-4 6-4所示。它是将霍尔所示。它是将霍尔元件元件 HLHL放置在一个由软磁材料制成的聚放置在一个由软磁材料制成的聚 磁磁 环环 的的 开开 口口 缝缝 隙隙 中，环中，环 内内 穿穿 过过 流流 经经 被被 测测 电电 流流 的的 导导 线线( (一次侧一次侧) )，从而，从而在环内缝隙处建立外磁场，使在环内缝隙处建立外磁场，使 HLHL感应出霍尔感应出霍尔电压电压 ，经运算放大器放大后，经运算放大器放大后，驱动晶驱动晶体管产生一补偿电流体管产生一补偿电流 ，流经，流经 匝匝的二次侧线圈，产生抵消的二次侧线圈，产生抵消 所产生的磁场，所产

23、生的磁场，促使促使减小。当减小。当 增大到使聚磁环内磁增大到使聚磁环内磁场为零时，根据安匝平衡关系场为零时，根据安匝平衡关系 经常取经常取 = =10001000匝，则匝，则 = = /1000 /1000。 图 6-4 LEM 模块原理图LILIHUSiSNHUSiSSLNII1SNSILILEMLEM的优点的优点l体积小体积小l重量轻重量轻l使用方便使用方便l过载能力强过载能力强l性能优越性能优越l量测误差小量测误差小(3)(3)电流互感器电流互感器 对于交对于交 流流 电电 流流 的检的检 测，可测，可 以以 采采 用用 电电 流流 互互 感感 器器 获得电流信号，通过整流变为单极性获得

24、电流信号，通过整流变为单极性的直流电压后，经的直流电压后，经A/DA/D转换读入微机。转换读入微机。l异步采样异步采样 采样周期采样周期 T T与整流电压周期间无约制关系，电压与整流电压周期间无约制关系，电压周期可能随时间变化但采样周期恒定不变。周期可能随时间变化但采样周期恒定不变。l同步采样同步采样 采样周期与整流电压周期保持严格的同步关系，采样周期与整流电压周期保持严格的同步关系，采样周期跟随整流电压周期比例变化，两者保持同采样周期跟随整流电压周期比例变化，两者保持同步关系。步关系。2. 2. 电压的检测电压的检测l直流电压的检测直流电压的检测 采用分压的办法，对分压电阻上的部分电采用分压

25、的办法，对分压电阻上的部分电压进行采样，读入微机。压进行采样，读入微机。l交流电压检测交流电压检测 采用电压互感器降压和隔离。采用电压互感器降压和隔离。l 如果被测电压频谱范围广、动态响应要求如果被测电压频谱范围广、动态响应要求高，此时可以采用磁场平衡式霍尔电压传感器高，此时可以采用磁场平衡式霍尔电压传感器进行电压测量和隔离。进行电压测量和隔离。3. 3. 转速的检测转速的检测(1)(1)测速发电机测速测速发电机测速采用直流测速发电机产生与电机转速成正比的速度采用直流测速发电机产生与电机转速成正比的速度电压电压! !适当滤波后经适当滤波后经 A/DA/D转换成数字量，反馈给微机。转换成数字量，

26、反馈给微机。当电机作正、反转时，速度电压将有正、负值，应当电机作正、反转时，速度电压将有正、负值，应采用双极性的采用双极性的 A /DA /D转换电路，如图转换电路，如图 6-7 6-7所示。所示。(2)(2)脉冲发生器测速脉冲发生器测速l这是采用微机中的定时这是采用微机中的定时/ /计数器对脉冲发生器的计数器对脉冲发生器的输出脉冲计数而实现的速度检测方法输出脉冲计数而实现的速度检测方法M M 法法 设在规定的检测时间设在规定的检测时间 TCTC内测得脉冲发生器输出脉冲内测得脉冲发生器输出脉冲个数为个数为 m1m1则转数为则转数为 ( (r/min) (6-4)r/min) (6-4) 其中其

27、中P P为脉冲发生器转一周产生的脉冲数为脉冲发生器转一周产生的脉冲数。cPTmn160T T法法 设脉冲发生器输出的一个脉冲周期内，对频设脉冲发生器输出的一个脉冲周期内，对频率为率为f f0 0 的高频时钟脉冲计数值为的高频时钟脉冲计数值为m m2 2, , 则转数为则转数为 ( (r/min)r/min) (6-5)(6-5)2060Pmfn 特点：特点： M M法测速时，转速越低计数脉冲数法测速时，转速越低计数脉冲数 m m1 1越少，测量误差越大，越少，测量误差越大，故较适合于测量高速。故较适合于测量高速。 T T法测速时，转速越高一个脉冲周期内的高频时钟脉冲数法测速时，转速越高一个脉冲

28、周期内的高频时钟脉冲数m m2 2 越少越少, , 测量误差也越大测量误差也越大, , 故较适合于测量低速。故较适合于测量低速。M/TM/T法法 若脉冲若脉冲 发发 生生 器器 每转每转 输输 出出 P P个个 脉脉 冲，检冲，检 测测 周周期期 T Td d 内共输出内共输出m m1 1个脉冲，个脉冲， TdTd时间内转子转过角位移为时间内转子转过角位移为 ( (radrad) (6-6) (6-6) 设高频时钟脉冲频率为设高频时钟脉冲频率为f f0 0，T Td d时间内的计数值为时间内的计数值为m m2 2, , 则检测周期为则检测周期为 (6-7) (6-7) 这样，被测转速可表达为这

29、样，被测转速可表达为 (6-8) (6-8) PmX1202fmTd21060260PmmfTXndM/TM/T法测速原理图法测速原理图图6-8 M/T法测速原理M/TM/T法的微机实现法的微机实现微机先把检测启动信号送微机先把检测启动信号送 启动触发器启动触发器与此同时与此同时, , m m1 1计数器、计数器、m m2 2计数计数器开始对脉冲发生器输出的器开始对脉冲发生器输出的脉冲和高频时钟脉冲计数脉冲和高频时钟脉冲计数定时时间到后，向微机申请定时时间到后，向微机申请中断中断CPUCPU响应中断后，读出计数值响应中断后，读出计数值 m m1 1 、m m2 2后后按式按式(6-8)(6-8

30、)计算出电机转速计算出电机转速图6-9 M/T法微机实现框图(3)(3)转向判别转向判别图6-10 转向判别原理l 原理原理进行转向判别时，应采用互差进行转向判别时，应采用互差 1/4 1/4周期的两个周期的两个脉冲发生器脉冲发生器 A A、B B，它们发出的脉冲信号分别送它们发出的脉冲信号分别送至至 D D触发器的触发器的 D D端和端和 CPCP端，如图端，如图 6-10( 6-10(a)a)所示所示正转时，脉冲正转时，脉冲 A A超前脉冲超前脉冲 B 90B 90度，度，CPCP正跳变时正跳变时 D=1D=1，故输出故输出 Q=1Q=1反转时脉冲反转时脉冲 B B超前脉冲超前脉冲 A 9

31、0A 90度，度，CPCP正跳变时正跳变时 D=0D=0，故输出故输出 Q=0Q=0，因此由因此由 D D触发器的输出逻辑触发器的输出逻辑值即可判别出转向。值即可判别出转向。二、晶闸管的微机数字触发二、晶闸管的微机数字触发l 把计算出的移相角把计算出的移相角换算成对应的时换算成对应的时间，从自然换流点开始用定时器进行计时，间，从自然换流点开始用定时器进行计时，延时时间到后即向相应晶闸管发出触发脉延时时间到后即向相应晶闸管发出触发脉冲使其导通。冲使其导通。l 改变定时时间常数即可改变延时时间，改变定时时间常数即可改变延时时间，从而实现晶闸管的移相控制。从而实现晶闸管的移相控制。1. 1. 电源状

32、态与同步脉冲的产生电源状态与同步脉冲的产生 三相可控整流电路如图三相可控整流电路如图 6-116-11所示：所示：l 晶闸管元件为晶闸管元件为120120度导度导 通型，每隔通型，每隔6060度换流一次，度换流一次，换流顺序为换流顺序为VT1-VT2VT1-VT2 -VT3-VT4-VT5-VT6 -VT3-VT4-VT5-VT6l 移相触发范围为移相触发范围为180180度，度，其中其中 0 09090时工作于时工作于整流状态；整流状态； 90 90 180180时工作于有源逆变状时工作于有源逆变状态。态。 图6-11 三相桥式可控整流电路同步脉冲与电源信号同步脉冲与电源信号l为了达到触发脉

33、冲与主电路晶闸管为了达到触发脉冲与主电路晶闸管的准确同步和移相，必须获得的准确同步和移相，必须获得 =0=0的元件自然换流点位置，以此的元件自然换流点位置，以此作为作为 定时器延时的起点时刻定时器延时的起点时刻l认相过程：认相过程： 通过三个电压过零比较器变成方通过三个电压过零比较器变成方波电平信号波电平信号 S S1 1、S S2 2、S S3 3，可获得每可获得每个区间的三相电源状态信号个区间的三相电源状态信号S S1 1、S S2 2、S S3 3，若知各区间的电源状态，便可若知各区间的电源状态，便可推知当前主回路应触发的一对晶闸推知当前主回路应触发的一对晶闸管，这就是认相过程。管，这就

34、是认相过程。图6-12 同步脉冲与电源信号2. 2. 脉冲分配规律脉冲分配规律l 由于仅用一个定时器，其最大定时延迟角被限制为由于仅用一个定时器，其最大定时延迟角被限制为 6060。但实际给定移相角。但实际给定移相角要求在要求在 0 0 180180范围变化，范围变化，故必须将故必须将 角按子区间换算成相应的定时角角按子区间换算成相应的定时角 。表表 6-1 6-1给出了给定移相角给出了给定移相角 、定时延时角定时延时角 、触发状态触发状态 s s之间关系之间关系。移相角延时角触发状态s 0 6060 = 00(B) 60 120120= -60 01(B)120 180180= -120 1

35、0(B)表6-1 定时延时角折算表l触发脉冲分配规律如下表：触发脉冲分配规律如下表： S1S2S3 101 100 110 010 011 001 Ss 2 3 4 5 6 7最大线电压 ucb uab uac ubc Uba uca s000110000110000110000110000110000110012012012012012012触发元件 VT564534615645126156231261342312453423表表6-2 脉冲分配规律脉冲分配规律3. 3. 定时时间常数计算定时时间常数计算l如果移相电压如果移相电压( (数字量数字量) )U UK K对应于给定移相角对应于给定

36、移相角 =180=180 0,0,则定时角则定时角 的数值可通过的数值可通过U UK K取反求取反求得，如表得，如表 6-4 6-4所示。所示。 0 6060 0 8585 = 60 12012085 170170 = - 85 120 180180170 255255 = - 170KUKUKUKUKUKU表6-4 定时角 4. 4. 补发脉冲原理补发脉冲原理l 据以上脉冲分配规律，可以在触发角据以上脉冲分配规律，可以在触发角给定不变的稳定状态下正确工作，但是在给定不变的稳定状态下正确工作，但是在触发角发生跨子区间改变时，有可能导致触发角发生跨子区间改变时，有可能导致换流失败，必须采取补发脉

37、冲的防范措施。换流失败，必须采取补发脉冲的防范措施。如图如图6-136-13所示所示l当当 由由(0(0 60)60)范围突变至范围突变至(60(60 120)120)或或(120(120 180)180)范围时，范围时， 整流桥可无故整流桥可无故障正常工作障正常工作l当当 由由(120(120 180)180)范围突变至范围突变至(60(60 120) 120) 或或(0(0 60)60)范围时，将范围时，将 构构 成成 VTVT3 3、VTVT6 6的直通短路，导致换流失的直通短路，导致换流失败，逆变颠覆。败，逆变颠覆。v由上分析，造成换流失败的原因主要由上分析，造成换流失败的原因主要是丢

38、失了一次顺序的是丢失了一次顺序的 VTVT4 4、VTVT5 5触发过触发过程。因此在这类移相角切换时必须要程。因此在这类移相角切换时必须要按换流顺序在三相自然换流点处补发按换流顺序在三相自然换流点处补发触发脉冲。这样，完整的微机数字触触发脉冲。这样，完整的微机数字触发软件流程图应如图发软件流程图应如图 6-14 6-14所示。所示。图6-13 移相触发子区间的划分图6-14 微机数字触发中断程序流程图三、数字三、数字PIDPID控制算法控制算法lPID控制规律： (6-9) l若采用微机来实现时，须将连续形式的微分方程离散为差分方程： (6-10) 10dtdeTedtTeKuDtIP0)1

39、(01uTeeTTeTeKukiDkiiIkPk加快运算速度的算法改进加快运算速度的算法改进l首先是将 PID的全量算法改为递推算法 (6-11) l将式(6-10)减去式(6-11)，可得： (6-12) 0)2()1()1(0)1()1(1uTeeTTeTeKukkDkiiIkPk)2()2()1()1()1(kkkDkIkkPkkeeeTTeTTeeKuu其次是减少运算次数以加速计算速度其次是减少运算次数以加速计算速度l格式一 (6-13)l格式二 (6-14)2()1()1()21 ()1 (kDPkDPkDIPkkeTTKeTTKeTTTTKuu)2(2)1(10)1(kkkkeae

40、aeau2)1(kDkIkPkkeTTeTTeKuukDkIkPkeKeKeKu2)1(注意注意l在实际的控制系统中，控制变量实际输出值往往受在实际的控制系统中，控制变量实际输出值往往受到调节器性能的约束到调节器性能的约束( (如放大器的饱和限幅如放大器的饱和限幅) )而限制而限制在一定的范围。在一定的范围。l采用微机数字控制时，如果计算机输出采用微机数字控制时，如果计算机输出 u u也是在上也是在上述范围，那么述范围，那么 PIDPID调节可以达到预期效果；但若超调节可以达到预期效果；但若超出上述范围，则实际执行的控制量出上述范围，则实际执行的控制量 u u被限幅，不再被限幅，不再是计算值，

41、这会使得被控制量的跟踪过程比不受限是计算值，这会使得被控制量的跟踪过程比不受限幅的理论值长。幅的理论值长。l为了克服计算中的积分饱和，须对以上为了克服计算中的积分饱和，须对以上PIDPID算法加算法加以改进。以改进。(1)(1)遇限削弱积分法遇限削弱积分法l此法的基本思想是此法的基本思想是一旦控制量一旦控制量 u u进入进入饱和区，停止进行饱和区，停止进行增大积分项的运算增大积分项的运算( (积分不积累积分不积累) )，如，如图图 6-15 6-15所示。所示。图6-15遇限削弱积分法克服积分饱和l算法框图如图算法框图如图 6-16 6-16所示。即在计算第所示。即在计算第 k k次调节器输出

42、变量次调节器输出变量 u uk k 时，先判断上一时，先判断上一时刻的输出量时刻的输出量u u(k-1)(k-1)是是否已超出限制范围。否已超出限制范围。如果已超出，则根如果已超出，则根据偏差的符号判断据偏差的符号判断系统输出是否在超系统输出是否在超调区域，因此决定调区域，因此决定是否将相应偏差计是否将相应偏差计入积分项。入积分项。图6-16 遇限削弱积分 PID算法框图(2)(2)积分分离法积分分离法l在计算开始时不在计算开始时不作积分，直至偏作积分，直至偏差达到某一设定差达到某一设定值值后才进行积后才进行积分积累，以这样分积累，以这样的办法不使积分的办法不使积分项累积过大而出项累积过大而出

43、现积分饱和现象，现积分饱和现象，如图如图 6-17 6-17所示。所示。图6-17 积分分离法克服积分饱和 a 不采用积分法分离 b采用积分法分离l积分分离法的算法框积分分离法的算法框图如图图如图 6-18 6-18所示。当所示。当偏差在给定范围偏差在给定范围 以以外时，仅相当于比例外时，仅相当于比例微分微分(PD)(PD)算法，只有算法，只有在在 范围以内时才让范围以内时才让积分起作用，相当于积分起作用，相当于完整的完整的 PIDPID算法，以算法，以做到系统无静差。做到系统无静差。图6-18 积分分离PID算法框图 四、数字滤波技术四、数字滤波技术l与模拟的硬件滤波器相比具有的优点：与模拟

44、的硬件滤波器相比具有的优点：数字滤波采用程序实现，无需增加硬件设备，数字滤波采用程序实现，无需增加硬件设备，其可靠性高、稳定性好其可靠性高、稳定性好可对极低频率可对极低频率( (如如 0.01 0.01Hz)Hz)信号滤波，模拟滤信号滤波，模拟滤波器无法做到波器无法做到可根可根 据据 信信 号号 的不的不 同，采用不同的滤波方同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强特点。法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强特点。1.1.算术平均值法算术平均值法l此法是取此法是取 N N 个个 采样采样 数数 据据 X Xi i(I(I=1=1 N)N)的算术平均的算术平均 值作值作为滤波结果，

45、即为滤波结果，即 (6-15) (6-15) 当当 N N 较大时，平滑程度高，但灵敏度低，采样信号较大时，平滑程度高，但灵敏度低，采样信号的快速变化在滤波后的输出中不易得到反映的快速变化在滤波后的输出中不易得到反映当当 N N小时，灵敏度高，但平滑程度低小时，灵敏度高，但平滑程度低v故此法适合于信号本身在某一数值附近作少量上下故此法适合于信号本身在某一数值附近作少量上下波动的情况，如电机稳速控制时速度反馈信号的处波动的情况，如电机稳速控制时速度反馈信号的处理。理。NiixNy112.2.滑动平均值法滑动平均值法l 滑动平均值法采用队列作为测量数滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，队列的长

46、度固定为据存储器，队列的长度固定为 N N，每进每进行一次新的采样即把结果存入队尾，扔行一次新的采样即把结果存入队尾，扔掉原在队首的一个数据，进行一次平均掉原在队首的一个数据，进行一次平均值计算。这样，每次测量采样后，就可值计算。这样，每次测量采样后，就可算出一个新的算术平均值，提高了滤波算出一个新的算术平均值，提高了滤波计算速度。计算速度。3.3.防脉冲干扰平均值法防脉冲干扰平均值法l 先对先对 N N个数据进行比较，去掉其中最个数据进行比较，去掉其中最大值和最小值，然后对剩下的大值和最小值，然后对剩下的( (N-2)N-2)个数个数据进行算术平均。据进行算术平均。l 为了加快计算速度，为了

47、加快计算速度，N N 不能太大，常不能太大，常取取 4 4或者或者 5 5，即四取二或五取三作平均。，即四取二或五取三作平均。此法计算方便、快速，所需存储量少，广此法计算方便、快速，所需存储量少，广为应用。一种适用为应用。一种适用 8031 8031单片微机的平均单片微机的平均值法算法子程序框图如图值法算法子程序框图如图6-196-19所示。所示。图6-19 平均值法数字滤波子程序框图 6.3 6.3 直流电机调速系统的微机控制直流电机调速系统的微机控制一、晶闸管一、晶闸管直流电动机可逆调速直流电动机可逆调速系统的微机控制系统的微机控制从图从图 6-20 6-20可以看出，该系统由三大部分构成

48、：可以看出，该系统由三大部分构成：l主回路：主回路： 由反并联的两组三相晶闸管全控整流器由反并联的两组三相晶闸管全控整流器桥桥I I、桥桥IIII构成，从而可以实现四象限可逆运行。构成，从而可以实现四象限可逆运行。l控制回路：控制回路： 典型的双闭环系统，即电流控制为内典型的双闭环系统，即电流控制为内环、速度控制为外环。速度反馈取自同轴直流发电环、速度控制为外环。速度反馈取自同轴直流发电机机 TGTG。l数字控制部分：数字控制部分： 完成调速系统的逻辑无环流可逆完成调速系统的逻辑无环流可逆运行控制、速度及电流的闭环调节和两组可控整流运行控制、速度及电流的闭环调节和两组可控整流器的数字触发功能。

49、器的数字触发功能。图6-20微机控制晶闸管直流电动机可逆调速系统控制过程控制过程 l速度的数字给定速度的数字给定 和速度的数字反馈和速度的数字反馈 经比较后得误差信号经比较后得误差信号 ，经速度调节的数，经速度调节的数字字PIDPID运算后输出运算后输出 ，作为电流环的数字给作为电流环的数字给定，定，l 再与电流的数字反馈量再与电流的数字反馈量 相比较后得相比较后得误差信号误差信号 ，经电流调节的数字，经电流调节的数字 PIDPID运算运算后输出后输出 即为数字触发器的脉冲移相信号。即为数字触发器的脉冲移相信号。l 经数字触发控制生成相应移相角经数字触发控制生成相应移相角 的晶的晶闸管触发脉冲

50、，经功率放大和逻辑开关控制后闸管触发脉冲，经功率放大和逻辑开关控制后送至有关晶闸管桥，实现电机运行控制。送至有关晶闸管桥，实现电机运行控制。gDfnDnDnDnDfiDiDkUkU采样周期的确定采样周期的确定l采样定理：采样定理： 如果对一个具有有限频谱的连续信号如果对一个具有有限频谱的连续信号 进行连进行连续采样，当采样频率满足续采样，当采样频率满足 (6-16) (6-16) 则采样的离散信号则采样的离散信号 能无失真地复现原来的连续信能无失真地复现原来的连续信号号 。此处。此处 为连续信号为连续信号 的最高频率，的最高频率， 为采样频率，由此采样周期的理论值为为采样频率，由此采样周期的理

51、论值为 (6-17) (6-17)速度调节采样周期：速度调节采样周期：通常考虑到电机转速变化相对缓慢，可通常考虑到电机转速变化相对缓慢，可 取速度调节采样周期取速度调节采样周期 T Tn n=10ms=10ms电流调节采样周期：电流调节采样周期：由于电枢电流变化较为迅速，同时考虑到三相由于电枢电流变化较为迅速，同时考虑到三相 桥式可控整流桥式可控整流 1/6 1/6周期才换流一次的事实，从周期才换流一次的事实，从 而可取电流调节采样周期而可取电流调节采样周期 T Ti i=3.33ms=3.33ms。)(tf)(* tf)(tfmaxmax2 f)(tfTs/2max2smax21fT二、直流

52、电动机可逆脉宽调速系统二、直流电动机可逆脉宽调速系统的微机控制的微机控制l系统原理性框图如系统原理性框图如图图 6-21 6-21所示所示l这也是一个电流、这也是一个电流、速度双闭环系统速度双闭环系统图6-21 微机控制直流电机 PWM调速系统 软件编写中定时器的选择和使用软件编写中定时器的选择和使用l由于采用由于采用 GTRGTR作功率开关器件，开关频率一般取为作功率开关器件，开关频率一般取为 1 1 2 2KHzKHz，因此电流环采样周期取因此电流环采样周期取 T Ti i =1ms=1ms，速度环采样周期取速度环采样周期取 T Tn n=10ms=10ms，可选定时器可选定时器 T1T1

53、来定时。来定时。l定频调宽的时间定频调宽的时间 t t1 1、( (T-tT-t1 1) )可可 选选 定定 时时 器器 T0T0来来 定定 时。时。l定时器定时器 T1T1的中断服务程序主要完成速度和电流的控制。速度的中断服务程序主要完成速度和电流的控制。速度环中断服务程序实现速度的环中断服务程序实现速度的PIPI调节，产生电流给定信号；电调节，产生电流给定信号；电流环中断服务程序实现电流的流环中断服务程序实现电流的 PIPI调节，产生定时器调节，产生定时器 T0T0的定的定时时间常数。时时间常数。l定时器定时器 T0T0的中断服务程序实现的中断服务程序实现VT1VT1、VT4VT4、VT2

54、VT2、VT3VT3的通断，的通断，同时注意在同时注意在VT1VT1、VT4VT4与与VT2VT2、VT3VT3通、断切换时用软件形成死通、断切换时用软件形成死区时间，防止切换时桥臂直通短路。区时间，防止切换时桥臂直通短路。 6.4 6.4 SPWM SPWM 变频器的微机控制变频器的微机控制SPWMSPWM波形的微机实现方法波形的微机实现方法l表格法表格法l随时计算法随时计算法l实时计算法实时计算法一、规则采样法的基本原理一、规则采样法的基本原理l规则采样法是用经过采样的正弦波规则采样法是用经过采样的正弦波( (实际是正弦波的等效阶梯波实际是正弦波的等效阶梯波) )与三角与三角波相交，由交点

55、决定脉冲宽度的方法。波相交，由交点决定脉冲宽度的方法。l由于等效阶梯波可在一个采样周期内由于等效阶梯波可在一个采样周期内维持恒值，从而解决了交点的数学计维持恒值，从而解决了交点的数学计算问题，故能适合于微机的软件计算。算问题，故能适合于微机的软件计算。1.1.对称规则采样法对称规则采样法l此法是只在三角载波的顶此法是只在三角载波的顶点或者底点处对正弦调制点或者底点处对正弦调制波采样形成等效阶梯调制波采样形成等效阶梯调制波，阶梯波再与三角波相波，阶梯波再与三角波相交确定出脉冲宽度，如图交确定出脉冲宽度，如图 6-226-22所示。所示。l由于脉宽在一个采样周期由于脉宽在一个采样周期 T Ts(s

56、(亦即载波周期亦即载波周期T Tt t) )内位置内位置对称，故称对称规则采样。对称，故称对称规则采样。图6-22 对称规则采样法l由图：aTtaTtsOsF4141)sin1 (41)sin1 (4111tMTttMTtsOsF(6-19)(6-18)根据三角形相似关系可解出 a，则有式中称为调制比，即正弦调制波幅值与三角载波幅值之比。称为调制比，即正弦调制波幅值与三角载波幅值之比。TkUUM/l采样点时刻： (k=0，1，2， ，N1) l载波比： l脉冲宽度：v可见在规则采样的情况下，只要知道采样点可见在规则采样的情况下，只要知道采样点 ，就能确定出这个采样周期内的脉宽就能确定出这个采样

57、周期内的脉宽 及时间间及时间间隔隔 。tkTt 1tRTTN/)sin1 (211tMTts1ttFt2.2.不对称规则采样法不对称规则采样法l不对称规则采样法：不对称规则采样法： 既在三角波载波的顶既在三角波载波的顶点处又在底点处对正弦波点处又在底点处对正弦波进行采样，这样形成的等进行采样，这样形成的等效阶梯调制波与三角载波效阶梯调制波与三角载波相交确定出的脉宽在一个相交确定出的脉宽在一个载波周期载波周期 T Tt t 内的位置是内的位置是不对称的，故称为不对称不对称的，故称为不对称规则采样。规则采样。图6-23 不对称规则采样法l在三角波顶点处采样：l在三角波底点处采样：aTtaTtsOsF2/2/bTtbTtsOsF2/2/(6-24)(6-25)解出式中的 a、b，从而可得：)sin1 (2)sin1 (2)sin1 (2)sin1 (22211tMTttMTttMTttMTtsOsFsOsF(6-26)式中：则脉宽为：ktkttt2T2T21(k=0，2，4，6，顶点采样 )(k=0，2，4，6，顶点采样 )(6-27)sin(sin21 221ttMTttttOOw(6-28)不对称规则采样法与对称规则采样法的不对称规则采样法与对称规则采样法的比较比较l不对称规则采样形成的阶梯波比对称规则不对称规则采样形成的阶