电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt3-3,4,6直流调速系统的数字控制

49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11电力拖动自动控制系统第3章直流调速系统的数字控制49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22主要内容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*故障检测、保护与自诊断49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33学习要点：1、数字测速方法：M法、T法、M/T法；2、比较测速方法的精度；3、数字PI调节器的实现，软件算法；重点、难点：数字PI调节器的设计、实现。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统443.3数字测速与滤波数字测速精度指标数字测速方法M/T法测速软件框图49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统553.3.1数字测速精度指标（1）分辩率改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率Q。Q越小，测速装置的分辩能力越强。12nnQ49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66（2）测速误差率测量值与实际值的相对误差来表示，%100nn的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统773.3.2数字测速方法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的检测元件。•光电转换49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88旋转编码器光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。码盘轴发光装置接收装置CCV增量式旋转编码器示意图49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90°AABB正转反转图3-11区分旋转方向的A、B两组脉冲序列若码盘光栅数为N，则转速分辨率为1/N；常见光栅数1024、2048、4096采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率四倍频电路49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统10102）测速原理由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字转换方法：（1）M法—脉冲直接计数方法；（2）T法—脉冲时间计数方法；（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11113.3.3M法测速PLG倍频电路BusZ记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则c160ZTMnZ=倍频系数×PLG光栅数测速原理与波形图CountercT1M49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212M法测速的分辨率和误差率M法测速适用于高速。%1001%10060)1(60601c1c1c1maxMZTMZTMZTMcc1c16060)1(60ZTZTMZTMQ分辨率:误差率:49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1313PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.4T法测速记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，则电路与波形2060ZMfn2M02fMTt49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414T法测速的分辨率和误差率分辨率:误差率:T法测速适用于低速段。%10011%1006060)1(602202020maxMZMfZMfMZf)1(6060)1(602202020MZMfZMfMZfQ49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强；因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。两种测速方法的比较49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616M/T法既检测Tc时间内PLG输出的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。应保证高频时钟脉冲计数器与PLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差。3.3.5M/T法测速49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1717M/T法测速波形图cT1M2M编码器输出脉冲→高频时钟脉冲→允许计数时间→高速时，相当于M法测速最低速时，M1=1，自动进入T法测速49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818M/T法测速转速计算101c26060MfMnZTZM%1001M1%100ZMfM60ZMfM60)1M(ZfM602201201201max误差率49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919M/T法测速误差率在低速时趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的M1次平均，而在这M1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。故误差率小。M/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20203.3.6M/T法测速软件开放旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2开放测速时间计数器Tc并允许中断禁止捕捉中断允许测速吗？YN禁止测速吗？关闭旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2保护现场中断返回恢复现场NY允许/禁止测速开放捕捉中断保护现场中断返回恢复现场适用于8X196MC或TMS320X240捕捉中断49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统21213.3.7数字滤波算术平均值滤波中值滤波中值平均滤波49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222(1).算术平均值滤波优点：算法简单。缺点：需要较多的采样次数才能有明显的平滑效果。NiiXNY1149电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323加权算术平均值滤波其中，NiiiXaY1121NaaaNaaa210在一般情况下49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424(2)．中值滤波将最近连续三次采样值排序，使得321XXX取中值X2为有效信号，舍去X1和X3。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），当干扰信号作用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525(3)．中值平均滤波设有N次采样值，排序后得NXXX211221NiiXNY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值，中值平均滤波是中值滤波和算术平均值滤波的结合，既能滤除偶然型干扰脉冲，又能平滑滤波，但程序较为复杂，运算量较大。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统26263.4数字PI调节器模拟PI调节器的数字化改进的数字PI算法智能型PI调节器49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统27273.4.1模拟PI调节器的数字化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，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828•PI调节器的传递函数PI调节器时域表达式其中KP=Kpi为比例系数KI=1/为积分系数ssKsEsUsW1)()()(pipitteKteKtteteKtud)()(d)(1)()(IPpi49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2929•PI调节器的差分方程将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为其中，Tsam为采样周期)1()()()()()()()(IsamIPIP1samIPkukeTKkeKkukeKieTKkeKkuki49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030位置式数字PI调节器算法积分部分：)1()()(IsamIkukeTKkuI比例部分：PI调节器的输出)()()(kukukuIP)()(PkeKkuP49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131增量式PI调节器算法PI调节器的输出)()1()()()1()()()1()()(samIP11samIP1samIPkeTKkekeKieTKkeKieTKkeKkukukukiki)()1()(kukuku49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232限幅值设置增量式PI调节器算法只需输出限幅；位置式算法必须设置积分限幅和输出限幅，缺一不可。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333•PI调节器算法流程（位置式）49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统34343.4.2改进的数字PI算法微机数字控制系统具有很强的逻辑判断和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍生出多种改进的PI算法，提高系统的控制性能。积分分离算法分段PI算法49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535(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，只让比例部分起作用，以快速减少偏差；►当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636积分分离算法积分分离算法表达式为kiieTKCkeKku1samIIP)()()(其中)(,0)(,1IieieCδ为一常值。积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3737(2)．分段PI算法分段PI算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段PI算法的表达式与离散PI算法完全一样，但有两套或多套PI参数，可根据转速或（和）电流偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838设计思想在双闭环直流调速系统中，电流调节器的作用之一是克服反电动势的扰动。在转速变化过程中，必须依靠积分作用抑制反电动势，使电枢电流快速跟随给定值，以保证最大的起动电流。►在转速偏差大时，电流调节器应选用较大的KP和KI参数；使实际电流能迅速跟随给定值。►在转速偏差较小时，过大的KP和KI又将导致输出电流的振荡，增加转速调节器的负担，严重时还将导致转速的振荡。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39393.6故障检测、保护与自诊断对实时采样的数据进行处理和分析，利用故障诊断模型或专家知识进行推理，对故障类型或故障发生处作出正确的判断，这就是故障自诊断。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4040故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，而对于计算机和检测元件本身的故障只能依靠人工来检查。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统41413.6.1故障检测1.供电电源故障检测三相供电电源常见的故障为过电压、欠电压和缺相。由三相供电电源经电压互感器、三相不可控整流桥和滤波环节，得到与供电电压幅值成正比的直流电压，经A/D转换输入至计算机。数字控制系统定时采样该直流电压，并与上、下限值进行比较，即可判断是否出现过电压或欠电压故障。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统4242►缺相检测缺相检测采用缺相继电器:▼正常时，继电器常开触点打开，缺相输出信号为低电平；▼缺相时，继电器常开触点闭合，缺相输出信号呈高电平。定时检测缺相检测输出电路电平，即可判断是否出现缺相故障。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统43432过电流、过载故障检测过电流、过载是电力拖动控制系统较易出现的故障，检测功率变换器UPE的输入、输出电流，可判别是否出现故障及故障类别，如图所示。49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统44443．失磁故障检测检测励磁电流If(如上图所示)，当时，出现失磁故障。4.超速故障当转速n越过最高限定转速nmax时，出现超速故障。minffII49电力拖动自动控制系统电力传动控制系统45453.6.2故障保护发生故障时，必须进行保护，以免故障进—步扩大，故障保护一般分为硬件和软件两级保护。1)硬件保护。快速封锁功率变换器UPE的驱动信号，并将UPE与供电电源断开。2)软件保护。进入故障保护中断程序，锁存故障信号，禁止UPE驱动信号输出，通过外围电路显示故障类型，并同时产生声、光等报警信号。硬件保护起作用后，故障随之消失，如果没有软件保护，系统将重新投入运行，再次导致故障出现。因此，只有硬件保护是不够的，必须