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1,直流调速系统的数字控制,电力拖动自动控制系统,第3章,2,主要内容,3.1微型计算机数字控制的主要特点3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件3.3数字测速与滤波3.4数字PI调节器*3.5按离散控制系统设计数字控制器*3.6故障检测、保护与自诊断,√,√,3,学习要点,1.介绍离散化、数字化；2.数字量化和采样频率选择；3.控制系统的输入、输出变量;4.介绍数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件。重点数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件的结构。,4,模拟系统的优、缺点,优点物理概念清晰;控制信号流向直观。缺点控制规律体现在硬件电路上，线路复杂、通用性差;控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。,5,3.1微型计算机数字控制的主要特点,硬件电路标准化程度高，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。,6,微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。,离散化和数字化,7,,,,O,n,fnT,,,,,,,,,,,,,,,,离散化,对模拟的连续信号采样形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。,8,数字化,离散信号经保持器保持后，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散的模拟信号。,保持,NanT（电压）NdnT（数码）,9,离散化和数字化的负面效应,离散化时间上的不连续性；数字化量值上的不连续性。负面效应A/D转换的量化误差，影响控制精度和平滑性。D/A转换的滞后效应，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。,10,3.1.1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。存储系数显示量化的精度，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。,,11,3.1.2采样频率的选择,Shannon采样定理fsam应不小于信号最高频率fmax的2倍，即fsam≥2fmax这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发生明显的畸变，系统保持原有的性能。,12,采样频率,实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对非周期性信号（系统的过渡过程），其频谱为0至∞的连续函数，最高频率理论上为无穷大。因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。,13,系统采样频率的确定,在一般情况下，可以令采样周期,Tmin为控制对象的最小时间常数。或用采样角频率sam,c为控制系统的截止频率。,,14,3.1.3微机数字控制系统的输入与输出变量,可以是模拟量，也可以是数字量►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，可以直接参加运算。,15,1.系统给定,,,a模拟给定,b数字给定,16,2.状态检测,状态量检测的作用构成反馈控制，保护和故障诊断信息的来源。1）转速检测模拟和数字检测方法。2）电流和电压检测一般需要A/D转换。,17,转速检测,转速检测有模拟和数字两种检测方法（1）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。,（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。,18,测速基本方式,19,极性转换,多数状态量为双极性（大小和方向），A/D转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量，再用软件将偏移码变换为原码或补码。,20,原码、补码和偏移码,21,3.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。,22,3.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件,,3.2.0系统组成方式数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种1.数模混合控制系统2.数字电路控制系统3.微型计算机控制系统,23,1.数模混合控制系统,,,,U*n,Un,U*i,Uc,Ui,-,数字电路,,,,--,功率放大电路,24,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。,25,2.数字电路控制系统,数字电路,主电路,,,-,,,,Uc,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,26,3.微机数字控制系统,27,在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。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,28,3.2.1微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构,微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系统组成主电路检测电路控制电路给定与显示电路,29,下标“dig”表示数字量,,微机数字控制的双闭环直流调速系统,30,微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图,电容串联提高耐压等级,31,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,32,检测回路,检测回路包括电压、电流、温度和转速检测（数字测速）,其中,转速检测用数字测速；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。,33,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。,34,电流检测方法,（1）电流互感器,电流检测电路TA电流互感器,,U0,35,（2）霍尔效应电流变换器,UHKHBIcKH为霍尔常数；B为与被测电流Id成正比的磁通密度；Ic为控制电流。,36,故障综合,对电压、电流、温度等信号进行分析比较，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。,37,数字控制器,专为电机控制设计的微处理器除了带有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。如Intel8X196MC系列或TMS320X240系列等。,（见“电机控制专用集成电路”相关资料）,38,3.2.2微机数字控制双闭环直流调速系统的控制软件,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中断服务子程序等,39,主程序,完成实时性要求不高的功能，系统初始化后，键盘处理、刷新显示、数据通信等功能。,40,初始化子程序,硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。,41,中断服务子程序,实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。转速调节中断子程序（中断级别最低）电流调节中断子程序（中断级别居中）故障保护中断子程序（优先级别最高）,42,转速调节中断子程序,转速反馈转速调节启动测速,43,电流调节中断子程序,电流反馈电流调节PWM生成,44,故障保护中断子程序,封锁PWM输出分析故障原因显示故障并报警,45,作业,3-1,
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