《直流电》-模块五　计算机控制的直流调速系统

项目一数字化控制任务计算机数字控制的主要特点在前面任务中论述了直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节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晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而电路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。总之，微机数字控制系统的稳定性好、可靠性高，可以提高控制性能。下一页返回项目一数字化控制离散化和数字化的结果导致了信号在时间上和量值上的不连续性，从而会引起下述的负面效应：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性，经过计算机运算和处理后输出的信号仍是一个时间上离散、量值上数字化的信号，显然不能直接作用于被控对象，必须由数／模转换器（Ｄ／Ａ）和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会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。随着微电子技术的进步，微处理器的计算速度不断提高，其位数也在不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。上一页下一页返回项目一数字化控制１.数字量化在微机数字控制系统中，将模拟量输入计算机前必须进行数字量化。量化的原则是，在保证不溢出的前提下，精度越高越好。可用存储系数Ｋ来显示量化的精度，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。显然，存储系数与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。上一页下一页返回项目一数字化控制２.采样频率的选择微机数字控制系统是离散系统，数字控制器必须定时地对给定信号和反馈信号进行采样，要使离散的数字信号在处理完毕后能够不失真地复现连续的模拟信号，对系统的采样频率须有一定的要求。根据香农（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≥２ｆｍａｘ，这时经采样及保持后，原信号的频谱可以不发生明显的畸变，系统可保持原有的性能。但实际系统中信号的最佳频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程）来说，其频谱为０～∞的连续函数，理论上最高频率ｆｍａｘ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。上一页下一页返回项目一数字化控制３.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可以是模拟量，也可以是数字量。模拟量是连续变化的物理量，如转速、电流和电压等。对于计算机来说，所有的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，可以直接参与数字运算。１）系统给定系统给定有模拟给定和数字给定两种方式。模拟给定是以模拟量表示的给定值，如给定电位器的输出电压，模拟给定须经Ａ／Ｄ转换为数字量再参与运算，如图５－１所示。上一页下一页返回项目一数字化控制数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送，如图５－２所示。２）状态检测系统运行中的实际状态量，如转速、电压和电流等，在闭环控制时应该反馈给微机，因此必须首先检测出来。３）转速检测转速检测有模拟和数字两种方法。模拟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，还包括了转速的方向，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。上一页下一页返回项目一数字化控制当测速发电机输出电压通过Ａ／Ｄ转换输入到微机时，由于多数Ａ／Ｄ转换电路只是单极性的，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电压信号，经过Ａ／Ｄ转换后得到以偏移码变换为源码或补码，然后进行闭环控制。有关偏移码或源码或补码的内容可参考相关的计算机控制文献。４）电流和电压检测电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流和电压信号也存在幅值和极性的问题，需要经过一定的处理后，经Ａ／Ｄ转换送入微机，其处理方法与转速相同。上一页下一页返回项目一数字化控制５）输出变量微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以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。随着电动机控制专用单片机的产生，前者逐渐成为主流，如Ｉｎｔｅｌ公司的８Ｘ１９６ＭＣ系列和Ｔ１公司的ＴＭＳ３２０Ｘ２４０系列单片机可直接生成ＰＷＭ驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。上一页下一页返回项目一数字化控制４.计算机数字控制的双闭环直流调速系统的硬件和软件就控制规律而言，微机数字控制的双闭环直流调速系统与前面任务中介绍的用模拟器件组成的双闭环直流调速系统完全等同。将前面任务中所述的模拟控制双闭环直流调速系统的结构图重画在图５－３中，其中，原来用电压量表示的给定信号和反馈信号，现在改为数字量，用下标“ｄｉｇ”表示，如ｎｄｉｇ、Ｉｄｉｇ等，因而反馈系数也就改成存储系数，然后再用虚数线把由微机实现的控制器部分框起来，就成为微机数字控制的双闭环直流调速系统。上一页下一页返回项目一数字化控制５.微机数字控制的双闭环直流调速系统的硬件结构微机数字控制的双闭环直流调速系统主电路中的ＵＰＥ可以是晶闸管可控整流器，也可以是直流ＰＷＭ功率变换器，现以后者为例讨论系统的实现，其硬件结构如图５－４所示。如果采用晶闸管可控整流器，只是不用微机中的ＰＷＭ生成环节，而是采用不同的方法控制晶闸管的触发相角。１）主回路三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流ＰＷＭ变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。上一页下一页返回项目一数字化控制２）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。３）故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析比较后，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。上一页下一页返回项目一数字化控制４）数字控制器数字控制器是系统的核心，选用专为电机控制设计的Ｉｎｔｅｌ８Ｘ１９６ＭＣ系统或ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｘ２４０系列单片机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机和其他外设交换数据。这种微机芯片本身都带有Ａ／Ｄ转换器，通过Ｉ／Ｏ和通信接口，还带有一般微机不具有的故障保护、数字测速和ＰＷＭ生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。６.微机数字控制的双闭环直流调速系统的软件框图微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的。所有的硬件也必须由软件实施管理，微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序和中断服务子程序等。上一页下一页返回项目一数字化控制１）主程序主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算和其他外设通信等功能。其主程序流程如图５－５所示。２）初始化子程序初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，初始化子程序流程如图５－６所示。３）中断服务子程序中断服务子程序具有完成实时性强的功能，如故障保护、ＰＷＭ生成、状态检测和数字ＰＩ调节等。中断服务子程序由相应的中断源提出申请，ＣＰＵ实时响应。上一页下一页返回项目一数字化控制转速调节中断服务子程序流程如图５－７所示，进入转速调节中断服务子程序后，首先应保护现场。在计算实际转速，完成转速ＰＩ调节，最后起动转速检测，为下一步调节做准备。在中断返回前应恢复现场，使被中断的上级程序正确、可靠地恢复运行。电流调节中断服务子程序流程如图５－８所示，主要完成电流ＰＩ调节和ＰＷＭ生成功能，然后起动Ａ／Ｄ转换，为下一步调节做准备。故障保护中断服务子程序流程如图５－９所示。进入故障保护中断服务子程序后，首先封锁ＰＷＭ输出，再分析、判断故障，显示故障原因并报警，最后等待系统复位。上一页返回项目二数字控制分析任务一数字测速数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点。被广泛应用于测速要求高、测速范围大的测速系统和伺服系统。１.转速编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测器件，旋转编码器与电动机相连。当电动机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上分别表示角度的二进制数码或循环码（格雷码）。下一页返回项目二数字控制分析通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速信号，必须对转角进行微分处理，增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，如图５－１０所示，当电动机旋转时，码盘随之一起转动。通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭通路，因此，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。上述脉冲序列正确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。为了获得转速的方向，可增加一对反光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的１／４，则两组脉冲序列Ａ和Ｂ的相位相差９０°，如图５－１１所示，正转时Ａ相超前Ｂ相；反转时Ｂ相超前Ａ相。采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。上一页下一页返回项目二数字控制分析２.Ｍ法测速在一定的时间Ｔｃ内测取旋转编码器输出的脉冲个数Ｍ１，用以计算这段时间内的平均转速，称为Ｍ法测速（图５－１２）。把Ｍ１除以Ｔｃ就可以得到旋转编码器输出脉冲的频率ｆ１＝Ｍ１／Ｔｃ，所以又称为频率法。电动机每转一圈共产生Ｚ个脉冲（Ｚ＝倍频系数×编码器光栅数），把ｆ１除以Ｚ就得到电动机的转速。习惯上，时间Ｔｃ以ｓ为单位，而转速是以ｒ／ｍｉｎ为单位，则电动机的转速为上一页下一页返回项目二数字控制分析３.Ｔ法测速在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知频率为ｆ０的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速，称为Ｔ法测速（图５－１３）。在这里，测速时间缘于编码器输出脉冲的周期，所以又称为周期法。在Ｔ法测速中，准确的测速时间Ｔｔ是用所得的高频时钟脉冲个数Ｍ２计算出来的，即Ｔｔ＝Ｍ２／ｆ０，则电动机转速为高速时小，量化误差大，随着转速的降低误差减小。所以Ｔ法测速适用于低速段，与Ｍ法恰好相反。上一页下一页返回项目二数字控制分析４.Ｍ／Ｔ法测速把Ｍ法和Ｔ法结合起来，既检测Ｔｃ时间内旋转编码器输出的脉冲个数Ｍ１，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数Ｍ２，用来计算转速，称为Ｍ／Ｔ法测速。时钟脉冲的频率为ｆ０，则准确的测速时间Ｔｔ＝Ｍ２／ｆ０，而电动机转速为采用Ｍ／Ｔ法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与旋转编码器输出脉冲计数器同时开始与关闭，以减小误差（图５－１４）。只有等到编码器输出脉冲前沿到达时，两个计数器才同时允许开始或停止计数。上一页下一页返回项目二数字控制分析５.Ｍ／Ｔ法数字测速软件流程测速软件由捕捉中断服务子程序流程（图５－１５）和测速时间中断服务子程序流程（图５－１６）构成，转速调节中断服务子程序中进行到“测速允许”时，开放捕捉中断，但只有旋转编码器脉冲前沿到达时，进入捕捉中断服务子程序后，旋转编码器脉冲计数器Ｍ１和高频时钟计数器Ｍ２才真正开始计数，同时打开测速时间计数器Ｔｃ，禁止捕捉中断，使之不再开放捕捉中断，旋转编码脉冲前沿再到达时停止计数。在这一组软件程序流程中，测速软件仅完成Ｍ１和Ｍ２计数，转速计算是在转速调节中断服务子程序中完成的。上一页下一页返回项目二数字控制分析任务二数字滤波在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些干扰信号。采用模拟测速时，常用由硬件组成的滤波器（如ＲＣ滤波电路）来滤除干扰信号；在数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整形、倍频的作用，往往用软件来实现数字滤波。数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，不但能代替硬件滤波器，还能实现硬件滤波器无法实现的功能。数字滤波可以用于测试滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。下面介绍几种常用的数字滤波方法。上一页下一页返回项目二数字控制分析１.算术平均值滤波设有Ｎ次采样值Ｘ１、Ｘ２、…、ＸＮ，算术平均值滤波就是找到一个值Ｙ，使Ｙ与各次采样值之差的平方和最小，令ｄＥ／ｄＹ＝０，得算术平均值滤波的优点是算法简单；缺点是需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。在一般的算术平均值滤波中，各次采样值是同等对待的。若主要重视当前的采样值，也附带考虑过去的采样值，可以采用加权算术平均值滤波，这时有上一页下一页返回项目二数字控制分析２.中值滤波将最近连续３次采样值排序，使得Ｘ１≤Ｘ２≤…≤Ｘ３，取这３个采样值的中值Ｘ２为有效信号，舍去Ｘ１和Ｘ３。这样的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），若干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间），则无能为力。３.中值平均滤波设有Ｎ次采样值，排序后得Ｘ１≤Ｘ２≤…≤ＸＮ，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Ｙ值，即上一页下一页返回项目二数字控制分析任务三数字ＰＩＰＩ调节器是自动化控制系统中最常用的一种控制器。在数字控制系统中，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，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。设系统的输入误差函数为ｅ（ｔ）、输出函数为ｕ（ｔ），ＰＩ调节器的传递函数为由式（５－７），ｕ（