交流拖动控制系统

直流调速系统数字控制第3章电力拖动自动控制系统第1页内容提纲微型计算机数字控制主要特点微机数字控制双闭环直流调速系统硬件和软件数字测速与滤波数字PI调整器用离散控制系统设计数字控制器第2页3.0问题提出前两章中论述了直流调速系统基本规律和设计办法，所有调整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楚、控制信号流向直观等长处，便于学习入门，但其控制规律体目前硬件电路和所用器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等原因影响。第3页以微处理器为关键数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，能够实现不一样于一般线性调整最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，并且更改起来灵活方便。第4页

3.1微型计算机数字控制主要特点总之，微机数字控制系统稳定性好，可靠性高，能够提升控制性能，另外，还拥有信息存放、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统主要特点是离散化和数字化：第5页离散化：为了把模拟连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串脉冲信号，即离散模拟信号，这就是离散化。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样第6页数字化：采样后得到离散信号本质上还是模拟信号，还须通过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。数字化OnN(nT)第7页离散化和数字化负面效应离散化和数字化成果造成了时间上和量值上不连续性，从而引发下述负面效应：

（1）A/D转换量化误差：模拟信号能够有没有穷多数值，而数码总是有限，用数码来逼近模拟信号是近似，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。第8页（2）D/A转换滞后效应：通过计算机运算和处理后输出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模拟量，再经放大后驱动被控对象。不过，保持器会提升控制系统传递函数分母阶次，使系统稳定裕量减小，甚至会破坏系统稳定性。第9页伴随微电子技术进步，微处理器运算速度不停提升，其位数也不停增加，上述两个问题影响已经越来越小。但微机数字控制系统主要特点及其负面效应需要在系统分析中引发重视，并在系统设计中给予处理。

返回目录第10页数字量化在微机数字控制系统同，将模拟量输入计算机前必须进行数字量化，量化标准是：在确保不溢出前提下，精度越高越好。存放系数K显示量化精度第11页采样频率选择微机数字控制系统是离散系统，数字控制器必须定期对给定信号和反馈信号进行采样。根据香农采样定理，采样频率应大于信号最高频率两倍，即采样频率越高，离散系统就越接近于连续系统；采样周期也不能太短，采样频率总是有限。合理选取采样频率相称重要。第12页3.2微机数字控制双闭环直流调速系统

硬件和软件

3.2.0系统组成方式

数字控制直流调速系统组成方式大体可分为三种：1.数模混合控制系统2.数字电路控制系统3.计算机控制系统第13页1.数模混合控制系统U*nUnU*iUcUi-数字电路~--第14页数模混合控制系统特点：转速采取模拟调整器，也可采取数字调整器；电流调整器采取数字调整器；脉冲触发装置则采取模拟电路。第15页2.数字电路控制系统数字电路主电路--~U*nUnU*iUiUc第16页数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调整器，以及脉冲触发装置等所有由数字电路组成。第17页3.计算机控制系统主电路微机控制电路-~U*nUnUiU*iUc第18页

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。系统特点：双闭环系统构造，采取微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采取数字PI算法，由软件实现转速、电流调整。第19页3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统

硬件构造

微机数字控制双闭环直流调速系统硬件构造如图3-4所示，系统由下列部分组成主电路检测电路控制电路给定电路显示电路第20页图3-4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件构造图

第21页主回路——微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中UPE有两种方式：直流PWM功率变换器晶闸管可控整流器第22页检测回路——检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：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；转速检测用数字测速。第23页1.转速检测

转速检测有模拟和数字两种检测办法：

（1）模拟测速一般采取测速发电机，其输出电压不但表达了转速大小，还包括了转速方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速方向也是不可缺乏。因此必须通过合适变换，将双极性电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。第24页（2）对于要求精度高、调速范围大系统，往往需要采取旋转编码器测速，即数字测速。第25页测速基本方式第26页2.电流和电压检测

电流和电压检测除了用来组成对应反馈控制外，还是多种保护和故障诊断信息起源。电流、电压信号也存在幅值和极性问题，需通过一定处理后，经A/D转换送入微机，其处理办法与转速相同。第27页电流检测办法（1）电流互感器~第28页（2）霍尔效应电流变换器

UH=KHBIcKH为霍尔常数；B为与被测电流成正比磁通密度；Ic为控制电流。R1R0A1R0R1UHIdIcUi第29页信号隔离与转换R1RoR2R3R4UBR5R6UiaUi第30页故障综合——利用微机拥有强大逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，方便及时处理，避免故障深入扩大。这也是采取微机控制优势所在。第31页数字控制器——数字控制器是系统关键，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）例如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具有故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统硬件电路。第32页

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达给定值，例如给定电位器输出电压。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达给定值，能够是拨盘设定、键盘设定或采取通信方式由上位机直接发送见下列图。第33页a)模拟给定

b)数字给定

第34页键盘与显示电路第35页输出变量——微机数字控制器控制对象是功率变换器，能够用开关量直接控制功率器件通断，也能够用经D/A转换得到模拟量去控制功率变换器。伴随电机控制专用单片微机产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，通过放大步骤控制功率器件，从而控制功率变换器输出电压。

第36页3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统

软件框图微机数字控制系统控制规律是靠软件来实现，所有硬件也必须由软件实行管理。微机数字控制双闭环直流调速系统软件有：主程序初始化子程序中断服务子程序等。第37页1.主程序——完成实时性要求不高功能，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。主程序框图见图3-5。2.初始化子程序——完成硬件器件工作方式设定、系统运行参数和变量初始化等。初始化子程序框图见图3-6。第38页图3-5主程序框图

图3-6初始化子程序框图

第39页3．中断服务子程序

中断服务子程序完成实时性强功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调整等,中断服务子程序由对应中断源提出申请，CPU实时响应。转速调整中断服务子程序电流调整中断服务子程序故障保护中断服务子程序

第40页图3-7转速调整中断服务子程序框图

图3-8电流调整中断服务子程序框图

图3-9故障保护中断服务子程序框图

第41页当故障保护引脚电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调整和电流调整均采取定期中断。三种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，电流调整中断次之，转速调整中断级别最低。

返回目录第42页3.3数字测速与滤波数字测速指标数字测速办法M/T法测速电路第43页

3.3.1数字测速指标（1）分辩率：

设被测转速由n1变为n2时，引发测量计数值变化了一种字，则测速装置分辩率定义为Q=n1-n2（转/分）

Q越小，测速装置分辩能力越强；

Q越小，系统控制精度越高。第44页（2）测速精度测速精度是指测速装置对实际转速测量精确程度，常用测量值与实际值相对误差来表达，即测量误差

越小，测速精度越高，系统控制精度越高。

大小取决于测速元件制造精度和测速办法。（3-7）

第45页（3）检测时间Tc

：

检测时间是指两次转速采样之间时间间隔。检测时间对系统控制性能有很大影响。检测时间越短，系统响应越快，对改善系统性能越有利。第46页

3.3.2数字测速办法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检测元件。旋转编码器测速原理如下列图所示第47页光电转换第48页增量式旋转编码器

——带Z1轨道园刻度第49页旋转编码器检测原理第50页旋转编码器检测信号处理第51页2.测速原理由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表达转速值。脉冲数字（P/D）转换办法：（1）M法—脉冲直接计数办法；（2）T法—脉冲时间计数办法；（3）M/T法—脉冲时间混合计数办法。第52页3.M法测速工作原理：由计数器统计PLG发出脉冲信号；定期器每隔时间Tc向CPU发出中断祈求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计算出对应转速值n。测速原理与波形图第53页计算公式式中Z为PLG每转输出脉冲个数；M法测速辨别率

（3-1）第54页M法测速误差率在上式中，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，伴随转速减少误差增大，转速过低时将不大于1，测速装置便不能正常工作。因此，M法测速只适用于高速段。第55页4.T法测速工作原理：计数器统计来自CPU高频脉冲f0；PLG每输出一种脉冲，中断电路向CPU发出一次中断祈求；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。电路与波形第56页计算公式T法测速辨别率

（3-2）第57页Ｔ法测速误差率

低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得高频时钟脉冲个数M2多，因此误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。

第58页M法测速在高速段辨别率强；T法测速在低速段辨别率强；

因此，能够将两种测速办法相结合，取长补短。既检测Tc

时间内旋转编码器输出脉冲个数M1，又检测同一时间间隔高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。

两种测速办法比较第59页5.M/T法测速电路构造：第60页工作原理：T0定期器控制采样时间；M1计数器统计PLG脉冲；M2计数器统计时钟脉冲。波形图：第61页M/T法数字测速软件

第62页计算公式辨别率检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相称于T法M1次平均，而在这M1次中最多产生一种高频时钟脉冲误差。因此，M/T法测速可在较宽转速范围内，具有较高测速精度。（3-3）第63页小结由于M/T法计数值M1和M2都伴随转速变化而变化，高速时，相称于M法测速，最低速时，M1=1，自动进入T法测速。因此M/T法测速能适用转速范围显著大于前两种。是目前广泛应用一种测速办法。返回目录第64页3.4数字PI调整器模拟PI调整器数字化改善数字PI算法智能型PI调整器

第65页3.4.1模拟PI调整器数字化

PI调整器是电力拖动自动控制系统中最常用一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，能够先按模拟系统设计办法设计调整器，然后再离散化，就能够得到数字控制器算法，这就是模拟调整器数字化。

第66页PI调整器传递函数PI调整器时域体现式其中Kp=Kpi

为百分比系数

KI

=1/

为积分系数

（3-13）（3-14）第67页PI调整器差分方程将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为式中Tsam为采样周期（3-15）第68页数字PI调整器算法有位置式和增量式两种算法：位置式算法——即为式(3-15)表述差分方程，算法特点是：百分比部分只与目前偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差累积。位置式PI调整器构造清楚，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存放数据较多。第69页增量式PI调整器算法PI调整器输出可由下式求得

（3-17）（3-18）第70页限幅值设置

与模拟调整器相同，在数字控制算法中，需要对u限幅，这里，只须在程序内设置限幅值u

m，当u(k)

>u

m时，便以限幅值u

m作为输出。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则二者略有差异。增量式PI调整器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同步设积分限幅和输出限幅，缺一不可。第71页算法流程第72页3.4.2改善数字PI算法

PI调整器参数直接影响着系统性能指标。在高性能调速系统中，有时仅仅靠调整PI参数难以同步满足各项静、动态性能指标。采取模拟PI调整器时，由于受到物理条件限制，只好在不一样指标中求其折衷。第73页而微机数字控制系统具有很强逻辑判断和数值运算能力，充足应用这些能力，能够衍生出多种改善PI算法，提升系统控制性能。积分分离算法分段PI算法积分量化误差消除

第74页1.积分分离算法基本思想：在微机数字控制系统中，把P和I分开。当偏差大时，只让百分比部分起作用，以迅速减少偏差；当偏差减少到一定程度后，再将积分作用投入，既可最后消除稳态偏差，又能避免较大退饱和超调。第75页2.积分分离算法积分分离算法体现式为（3-19）

其中

δ为一常值。

积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调整器。

第76页3.4.3智能型PI调整器

由上述对数字PI算法改善能够使我们得到启发，利用计算机丰富逻辑判断和数值运算功能，数字控制器不但能够实现模拟控制器数字化，并且能够突破模拟控制器只能完成线性控制规律局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律实现范围。第77页主要智能控制办法：专家系统含糊控制神经网络控制智能控制特点：

控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强鲁棒性和对环境适应性。返回目录第78页3.5按离散控制系统设计数字控制器

系统数学模型数字调整器设计控制软件设计第79页3.5.1系统数学模型U*nUnUiUi*TsamIdIdLUd0第80页系统模型中：转速、电流调整器均采取数字式PI调整器；采样步骤可表达为带放大零阶保持器

式中Tsam

为系统采样时间。（3-25）

第81页系统简化假如采取工程设计法，将电流内环矫正为典型I系统，则可将系统简化如下列图所示：K

n*TsamTsamIdIdL第82页电流内环等效传递函数其中电流反馈系数

换成电流存放系数K

转速反馈通道传递函数其中K

为转速存放系数

（3-23）

（3-24）

第83页3.5.2数字控制系统分析和设计办法（1）连续系统设计办法

在微机数字控制调速系统设计中，当采样频率足够高时，能够把它近似地当作是模拟系统，先按模拟系统理论来设计调整器参数，然后再离散化，得到数字控制算法，这就是按模拟系统设计办法，或称间接设计法。第84页Shannon采样定理根据Shannon采样定理，采样频率fsam应大于信号最高频率fmax2倍，即fsam≥2fmax这时，经采样及保持后，原信号频谱可以不发生明显畸变，系统可保持原有性能。第85页但实际系统中信号最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统过渡过程）来说，其频谱为0至∞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采样频率。第86页系统采样频率确定

在一般情况下，能够令采样周期Tmin为控制对象最小时间常数；或用采样角频率

sam

c为控制系统截止频率。第87页采样定理使用方法在直流调速系统中，电枢电流时间常数较小，电流内环必须有足够高采样频率，而电流调整算法一般比较简单，采取较高采样频率是也许。因此电流调整器一般都能够采取间接办法设计，即先按连续控制系统设计，然后再将得到调整器数字化。第88页至于转速环，由于系统动态性能往往对转速环截止频率大小有一定要求，不能太低。但转速控制有时比较复杂，占用机时较长，因而转速环采样频率又不能很高。假如所选择采样频率不够高，按连续系统设计误差较大时，就应按照离散控制系统来设计转速调整器。第89页（2）数字系统设计办法：先将系统对象离散化，按数字系统直接设计数字调整器。数字系统分析办法有：Z变换办法W变换办法扩展W变换办法第90页Z变换办法连续系统Z变换ReIm1-1离散系统Z平面ReImS平面第91页W变换办法ReIm1-1W变换Z平面ReImW平面离散系统离散系统注意：W平面与S平面之间频率响应发生了畸变。第92页扩展W变换办法ReImW’平面ReImW平面W’变换离散系统离散系统

W’平面与S平面之间频率响应在高采样频率和低角频率时相同。第93页3.5.3控制对象传递函数离散化

控制对象连续传递函数(3-27)

其中将两个小惯性步骤合并，T∑n=Ton+2T∑i第94页则其中(3-28)

第95页z变换过程应用z变换线性定理得再应用z变换平移定理，得

(3-29)

第96页控制对象离散传递函数上式展开成部分分式，对每个分式查表求z变换，再化简后得(3-30)

第97页其中第98页控制对象性能分析控制对象脉冲传递函数具有两个极点，p1=

1；尚有一种零点z1，位于负实轴上。第99页3.5.4数字调整器设计

模拟系统转速调整器一般为PI调整器，百分比部分起迅速调整作用，积分部分消除稳态偏差。数字调整器也应具有同样功能，因此仍选用PI型数字调整器。这里，设计办法采取数字频域法。第100页数字频域法设计步骤（1）通过Z变换，将连续被控对象模型转换成离散系统模型；（2）通过W变换和W’