電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)3【技術(shù)經(jīng)驗(yàn)】

1、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),1。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,問題的提出,2。計(jì)算機(jī)的發(fā)展為數(shù)字控制提供可能 單片機(jī) 數(shù)字信號(hào)處理器,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,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),離散化,對(duì)模擬

2、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,O,n,f(nT,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(lái)逼近離散的模擬信號(hào),保持,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)?壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,一。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

3、統(tǒng)中的反饋系數(shù),二。 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 2 fmax 。 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(wú)窮大。 因此，難以直接用采樣定理來(lái)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)。 或用采樣角頻率 sam,c 為控制系統(tǒng)的截止頻率,三。 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

4、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(lái)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)

5、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),一。 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

6、，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：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等,二。 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,實(shí)時(shí)性強(qiáng)，由相應(yīng)的中斷源提出申

7、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

8、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,一。 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(lái)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(lái)表示,的大小與測(cè)速方法有關(guān),二。 M法測(cè)速,PLG,倍頻電路,Bus,Z,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,Counter,M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,Conter,CPU,INTn,f,0,三。 T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

9、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,四。 M/T法測(cè)速,M/T法測(cè)速波形圖,圖3-13 測(cè)速原理與波形圖,C,M/T法測(cè)速,轉(zhuǎn)速計(jì)算,誤差率,M/T法測(cè)速適用的轉(zhuǎn)速范圍寬，測(cè)速精度高,五。數(shù)字濾波,常用濾波方法： 算術(shù)平均值濾波 中值濾波 中值平均濾波,1. 算術(shù)平均值濾波,優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：需要較多的采樣次數(shù)才能有明顯的平滑效果,加權(quán)算術(shù)平均值濾波,

10、其中,在一般情況下,取中值X2為有效信號(hào)，舍去X1和X3。 中值濾波能有效地濾除偶然型干擾脈沖（作用時(shí)間短、幅值大），當(dāng)干擾信號(hào)作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（大于采樣時(shí)間）則無(wú)能為力,2中值濾波,將最近連續(xù)三次采樣值排序，使得,3中值平均濾波,設(shè)有N次采樣值，排序后得,去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的值,中值平均濾波是中值濾波和算術(shù)平均值濾波的結(jié)合，既能濾除偶然型干擾脈沖，又能平滑濾波，但程序較為復(fù)雜，運(yùn)算量較大,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,一。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，

11、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3-17,二。改進(jìn)的數(shù)字PI算法,微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進(jìn)的PI算法，提高系統(tǒng)的控制性能。 積分分離算法 分段PI算法,1. 積分分離算法,基本思想 在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，把 P 和 I 分開。當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當(dāng)偏差降低到一定程度后，再將積分作用投