直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制第3章電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):物理概念清晰;

控制信號(hào)流向直觀。缺點(diǎn):控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路上，線路復(fù)雜、通用性差;

控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。

3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，不受器件溫度漂移的影響；進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，控制軟件更改靈活方便。具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化。離散化和數(shù)字化離散化對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)采樣形成一連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)，這就是離散化。Otf(t)原信號(hào)Onf(nT)1234…采樣數(shù)字化離散信號(hào)經(jīng)保持器保持后，還須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散的模擬信號(hào)。保持OnN(nT)Na(nT)（電壓）Nd(nT)（數(shù)碼）離散化和數(shù)字化的負(fù)面效應(yīng)離散化:時(shí)間上的不連續(xù)性；數(shù)字化:量值上的不連續(xù)性。負(fù)面效應(yīng)：產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。滯后效應(yīng)，提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。3.1.1數(shù)字量化

量化的原則是：在保證不溢出的前提下，精度越高越好。

存儲(chǔ)系數(shù)顯示量化的精度，其定義為

微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中的存儲(chǔ)系數(shù)相當(dāng)于模擬控制系統(tǒng)中的反饋系數(shù)。3.1.2采樣頻率的選擇Shannon采樣定理:

采樣頻率fsam

應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率fmax

的2倍，即

fsam

≥

2fmax

。經(jīng)采樣及保持后，原信號(hào)的頻譜不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)保持原有的性能。采樣頻率實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率很難確定，尤其對(duì)非周期性信號(hào)（系統(tǒng)的過渡過程），其頻譜為0至∞的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無窮大。因此，難以直接用采樣定理來確定系統(tǒng)的采樣頻率。系統(tǒng)采樣頻率的確定

在一般情況下，可以令采樣周期Tmin

為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)?；蛴貌蓸咏穷l率sam

c為控制系統(tǒng)的截止頻率。3.1.3微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。模擬輸入量必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而模擬輸出量必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換才能得到。數(shù)字量是量化了的模擬量，可以直接參加運(yùn)算。1.系統(tǒng)給定a)模擬給定

b)數(shù)字給定

圖3-1 模擬給定和數(shù)字給定2.狀態(tài)檢測(cè)狀態(tài)量檢測(cè)的作用：構(gòu)成反饋控制，保護(hù)和故障診斷信息的來源。

1）轉(zhuǎn)速檢測(cè)：模擬和數(shù)字檢測(cè)方法。

2）電流和電壓檢測(cè)：一般用A/D轉(zhuǎn)換。極性轉(zhuǎn)換多數(shù)狀態(tài)量為雙極性（大小和方向），A/D轉(zhuǎn)換電路一般是單極性的，必須進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到以偏移碼表示的數(shù)字量，再用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼。3.輸出變量用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件下標(biāo)“dig”表示數(shù)字量

圖3-3 微機(jī)數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.2.1微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成：主電路檢測(cè)電路控制電路給定與顯示電路圖3.4微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖主回路微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器晶閘管可控整流器檢測(cè)回路檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)（數(shù)字測(cè)速）。故障綜合對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機(jī)，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

數(shù)字控制器專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的微處理器：除了帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和PWM生成功能，如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制軟件微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有：主程序初始化子程序中斷服務(wù)子程序等主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，系統(tǒng)初始化后，鍵盤處理、刷新顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。圖3.5主程序初始化子程序硬件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。圖3.6初始化子程序中斷服務(wù)子程序?qū)崟r(shí)性強(qiáng)，由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級(jí)別最低）電流調(diào)節(jié)中斷子程序（中斷級(jí)別居中）故障保護(hù)中斷子程序（優(yōu)先級(jí)別最高）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)啟動(dòng)測(cè)速圖3.7轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序電流調(diào)節(jié)中斷子程序電流反饋電流調(diào)節(jié)PWM生成圖3.8電流調(diào)節(jié)中斷子程序故障保護(hù)中斷子程序封鎖PWM輸出分析故障原因顯示故障并報(bào)警圖3.9故障保護(hù)中斷子程序3.3數(shù)字測(cè)速與濾波檢測(cè)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，然后計(jì)算轉(zhuǎn)速。數(shù)字測(cè)速方法：（1）M法—脈沖直接計(jì)數(shù)法（2）T法—脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)法（3）M/T法—脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)法旋轉(zhuǎn)編碼器光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件。

圖3-10增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

3.3.1數(shù)字測(cè)速精度指標(biāo)（1）分辯率改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率Q。

Q越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)。（2）測(cè)速精度測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差來表示，的大小與測(cè)速方法有關(guān)。3.3.2M法測(cè)速PLG倍頻電路BusZ

記錄Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器PLG發(fā)出的脈沖數(shù)M1，則Z=倍頻系數(shù)×PLG光柵數(shù)。

圖3-11

測(cè)速原理與波形圖CounterM法測(cè)速的分辨率和誤差率M法測(cè)速適用于高速。分辨率誤差率PLG倍頻電路ConterCPUINTnf03.3.3T法測(cè)速記錄PLG一個(gè)脈沖間的高頻脈沖個(gè)數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，則圖3-12

電路與波形T法測(cè)速的分辨率和誤差率分辨率誤差率T法測(cè)速適用于低速段。

M/T法既檢測(cè)Tc

時(shí)間內(nèi)PLG輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)相同時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2。應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與PLG輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減小誤差。

3.3.4M/T法測(cè)速M(fèi)/T法測(cè)速波形圖圖3-13

測(cè)速原理與波形圖M/T法測(cè)速轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差率M/T法測(cè)速

低速時(shí)趨向于T法，高速時(shí)M2較大，且在M1次中最多丟失一個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖，故誤差率小。

M/T法測(cè)速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測(cè)速精度高。3.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化改進(jìn)的數(shù)字PI算法3.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化

當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調(diào)節(jié)器時(shí)域表達(dá)式其中KP=Kpi

為比例系數(shù)

KI

=1/為積分系數(shù)

PI調(diào)節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為其中，Tsam為采樣周期位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法積分部分：

比例部分：PI調(diào)節(jié)器的輸出：增量式PI調(diào)節(jié)器算法PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅值設(shè)置增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅；位置式算法必須設(shè)置積分限幅和輸出限幅，缺一不可。

PI調(diào)節(jié)器算法流程圖3-173.4.2改進(jìn)的數(shù)字PI算法