电力拖动自动控制系统(陈伯时)第三章课件

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第3章直流调速系统的数字控制北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity本章提要微型计算机数字控制的主要特点微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件数字测速与滤波数字PI调节器用离散控制系统设计数字控制器北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity3.1微型计算机数字控制的主要特点微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化模拟系统的优、缺点优点：物理概念清晰；控制信号流向直观。缺点：线路复杂、通用性差；控制效果受器件的性能、温度等因素的影响微机数字控制系统的优点硬件电路标准化程度高，制作成本低，且不受器件、温度漂移的影响；进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一般线性调节的控制规律；控制软件更改灵活方便；具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity离散化在具有一定周期的采样时刻对模拟连续信号进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity数字化采样后得到的离散信号经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号。OnN(nT)北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity离散化和数字化的负面效应（1）A/D转换的量化误差：影响控制精度和平滑性。（2）D/A转换的滞后效应：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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件数字控制直流调速系统组成方式1.数模混合控制系统2.数字电路控制系统3.计算机控制系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity数模混合控制系统MTGA/P/3ACTAACRASRA/D_A/DD/AU*nUnU*iUcUi-数字电路~--数模混合控制系统特点：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；电流调节器采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity数字电路控制系统MPLGD/PACRASRU*nP/D/3ACTAUiUnUcU*i_A/D数字电路主电路--~U*nUnU*iUiUc数字电路控制系统特点：除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity计算机控制系统MPLGD/PACRASRU*n+P/D/3ACTAUiUnUcU*i_A/D主电路微机控制电路-~U*nUnUiU*iUc计算机控制系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电机控制专用微处理器由于电机控制对集成电路和微处理器的需求量大而广，促成了电机控制专用微处理器与集成电路的大量涌现。近年来推出了多种电动机控制专用单片机，例如Inter公司的MCS-96系列单片机和TI公司的TMS320C2XX系列数字信号处理器等，这些专用微处理器将电动机控制中需要的各种外设和接口集成到单一芯片中，使得构成各种电机运动控制系统变得更为简洁和方便。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电机控制专用微处理器都能够直接输出脉宽调制（PWM）信号。有一路或二路为直流电动机调速控制用的PWM输出信号；有六路为三相交流电机变频调速用的SPWM输出信号。这些专用单片机或DSP内部集成有多路A/D转换器、并行数据接口和串行数据接口，方便构成闭环控制。其中，DSP2000系列还内部集成有接收编码器脉冲信号的接口，为数字速度反馈和位置反馈提供方便。处理异常情况的能力。例如发生过流、短路等故障时能及时封锁PWM输出信号，具有非屏蔽中断能力。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity主回路——微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器晶闸管可控整流器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。故障综合——利用微机强大的逻辑判断功能，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，以便及时处理，避免故障进一步扩大。数字控制器——可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，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备的故障保护、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。系统给定——系统给定有两种方式：模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算；数字给定：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。输出变量——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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity转速检测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，还包含了转速的方向，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。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A/D转换后得到的数字量送入微机。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。数字测速：用于要求精度高、调速范围大的系统，通常采用旋转编码器。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity测速基本方式TGPLGA/DI/O逻辑控制计数器CPUCPU+5V（1）测速发电机转换电路（2）光电码盘转换电路电压隔离北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电流检测方法电流互感器ABCUiUi0~霍尔效应电流变换器UH=KHBIcKH为霍尔常数；B为与被测电流成正比的磁通密度；Ic为控制电流。HLUi+-IdIcUHR1R0A1R0R1UHIdIcUi北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity系统给定+V微机A/D微机拨盘上位机键盘I/O通信接口模拟给定数字给定北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图主程序：完成实时性要求不高的功能，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。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。中断服务子程序：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。转速调节中断服务子程序电流调节中断服务子程序故障保护中断服务子程序当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity主程序系统初始化键处理刷新显示系统初始化设定定时器、PWM、数字测速工作方式参数及变量初始化设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式返回数据通信有键按下吗？YN主程序框图与初始化子程序框图北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity中断服务子程序框图保护现场读入转速给定计算转速转速调节允许测速中断返回恢复现场保护现场读入电流反馈电流调节PWM生成启动A/D转换中断返回恢复现场封锁PWM输出分析、判断故障原因显示故障原因故障报警等待系统复位北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity3.3数字测速与滤波数字测速指标数字测速方法M/T法测速电路北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity数字测速指标分辩率设被测转速由n1变为n2时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辩率定义为Q=n1-n2（转/分）Q越小，测速装置的分辩能力越强；系统控制精度越高。测速精度指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即测量误差越小，测速精度越高，系统控制精度越高。的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。%100nn检测时间Tc检测时间是指两次转速采样之间的时间间隔。检测时间对系统的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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity数字测速方法旋转编码器：常用光电式旋转编码器增量式编码器绝对式编码器北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity光电转换过程北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity增量式旋转编码器示意图北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity增量式旋转编码器的结构北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity增量式旋