直流调速系统的数字控制 第 3 章参考课件
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电力拖动自动控制系统
第3章
直流调速系统的数字控制
1
内容提要
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
2
3. 0 问题的提出
前两章中论述了直流调速系统的基本规 律和设计方法，所有的调节器均用运算放 大器实现，属模拟控制系统。
RR55
UUBB
RR33
RR44
RR66
A2
A/D
UUiiaa
28
故障综合——利用微机拥有强大的逻辑 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。这也是采用微机控制的优势所 在。
但微机数字控制系统的主要特点及其负 面效应需要在系统分析中引起重视，并在 系统设计中予以解决。
返回目录
10
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. 计算机控制系统
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件 结构如图3-4所示，系统由以下部分组成
▪ 主电路 ▪ 检测电路 ▪ 控制电路 ▪ 给定电路 ▪ 显示电路
18
图3-4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
19
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
ACR
UUcc
D/P
P/D
A~C
TA /3
主电路
PLG M
16
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。
17
3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构
8
（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机 运算和处理后输出的数字信号必须由数模 转换器D/A和保持器将它转换为连续的模 拟量，再经放大后驱动被控对象。但是， 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。
9
随着微电子技术的进步，微处理器的运 算速度不断提高，其位数也不断增加，上 述两个问题的影响已经越来越小。
25
• 电流检测方法
（1）电流互感器
~
ABC
Ui Ui0
26
（2）霍尔效应电流变换器
UH = KH B Ic
R11
Id
UUHH R0
A1
KH为霍尔常数；
HL
Ui
B为与被测电流
Ic
成正比的磁通密度； +
-
Ic为控制电流。
27
• 信号隔离与转换
R11
RRoo
A1
Ui
+15V
+ 5V
UA
RR22
4
3. 1 微型计算机数字控制的主要特点
总之，微机数字控制系统的稳定性好， 可靠性高，可以提高控制性能，此外，还 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模 拟控制系统无法实现的功能。
由于计算机只能处理数字信号，因此， 与模拟控制系统相比，微机数字控制系统 的主要特点是离散化和数字化：
5
f(t)
离散化：
U**nn
ASR
UU**ii -UUi
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
P/D
~AC
TA /3
主电路
PLG M
14
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。
15
3. 计算机控制系统
微机控制电路
A/D
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
为了把模拟的连续
信号输入计算机，必
须首先在具有一定周
O
期的采样时刻对它们
进行实时采样，形成 f(nT)
原信号
t
采样
一连串的脉冲信号，
即离散的模拟信号，
这就是离散化。
O 1 2 34 …
n
6
数字化：
采样后得到的离散 信号本质上还是模拟 N(nT)
信号，还须经过数字
量化，即用一组数码
（如二进制码）来逼
22
（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。
23
• 测速基本方式
（1）测速发电机转换电路
电压隔离
TG
A/D
I/O
CPU
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU
24
2. 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。
20
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。
21
1. 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。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。
近离散模拟信号的幅
值，将它转换成数字 O
n
信号，这就是数字化。
数字化
Baidu Nhomakorabea
7
离散化和数字化的负面效应
离散化和数字化的结果导致了时间上和 量值上的不连续性，从而引起下述的负面 效应：
（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可 以有无穷多的数值，而数码总是有限的， 用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生 量化误差，影响控制精度和平滑性。
11
1. 数模混合控制系统
数字电路
A/D
U*n
_
U*i
Ui
-
Uc
ASR
ACR
D/A
Un
~AC
TA /3
A/P
A/D
TG -M-
12
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。
13
2. 数字电路控制系统
数字电路
A/D
模拟系统具有物理概念清晰、控制信号 流向直观等优点，便于学习入门，但其控 制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到 器件的性能、温度等因素的影响。
3
以微处理器为核心的数字控制系统（简 称微机数字控制系统）硬件电路的标准化 程度高，制作成本低，且不受器件温度漂 移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断 和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。
第3章
直流调速系统的数字控制
1
内容提要
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
2
3. 0 问题的提出
前两章中论述了直流调速系统的基本规 律和设计方法，所有的调节器均用运算放 大器实现，属模拟控制系统。
RR55
UUBB
RR33
RR44
RR66
A2
A/D
UUiiaa
28
故障综合——利用微机拥有强大的逻辑 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。这也是采用微机控制的优势所 在。
但微机数字控制系统的主要特点及其负 面效应需要在系统分析中引起重视，并在 系统设计中予以解决。
返回目录
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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. 计算机控制系统
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件 结构如图3-4所示，系统由以下部分组成
▪ 主电路 ▪ 检测电路 ▪ 控制电路 ▪ 给定电路 ▪ 显示电路
18
图3-4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
19
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
ACR
UUcc
D/P
P/D
A~C
TA /3
主电路
PLG M
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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。
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3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构
8
（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机 运算和处理后输出的数字信号必须由数模 转换器D/A和保持器将它转换为连续的模 拟量，再经放大后驱动被控对象。但是， 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。
9
随着微电子技术的进步，微处理器的运 算速度不断提高，其位数也不断增加，上 述两个问题的影响已经越来越小。
25
• 电流检测方法
（1）电流互感器
~
ABC
Ui Ui0
26
（2）霍尔效应电流变换器
UH = KH B Ic
R11
Id
UUHH R0
A1
KH为霍尔常数；
HL
Ui
B为与被测电流
Ic
成正比的磁通密度； +
-
Ic为控制电流。
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• 信号隔离与转换
R11
RRoo
A1
Ui
+15V
+ 5V
UA
RR22
4
3. 1 微型计算机数字控制的主要特点
总之，微机数字控制系统的稳定性好， 可靠性高，可以提高控制性能，此外，还 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模 拟控制系统无法实现的功能。
由于计算机只能处理数字信号，因此， 与模拟控制系统相比，微机数字控制系统 的主要特点是离散化和数字化：
5
f(t)
离散化：
U**nn
ASR
UU**ii -UUi
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
P/D
~AC
TA /3
主电路
PLG M
14
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。
15
3. 计算机控制系统
微机控制电路
A/D
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
为了把模拟的连续
信号输入计算机，必
须首先在具有一定周
O
期的采样时刻对它们
进行实时采样，形成 f(nT)
原信号
t
采样
一连串的脉冲信号，
即离散的模拟信号，
这就是离散化。
O 1 2 34 …
n
6
数字化：
采样后得到的离散 信号本质上还是模拟 N(nT)
信号，还须经过数字
量化，即用一组数码
（如二进制码）来逼
22
（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。
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• 测速基本方式
（1）测速发电机转换电路
电压隔离
TG
A/D
I/O
CPU
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU
24
2. 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。
20
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。
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1. 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。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。
近离散模拟信号的幅
值，将它转换成数字 O
n
信号，这就是数字化。
数字化
Baidu Nhomakorabea
7
离散化和数字化的负面效应
离散化和数字化的结果导致了时间上和 量值上的不连续性，从而引起下述的负面 效应：
（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可 以有无穷多的数值，而数码总是有限的， 用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生 量化误差，影响控制精度和平滑性。
11
1. 数模混合控制系统
数字电路
A/D
U*n
_
U*i
Ui
-
Uc
ASR
ACR
D/A
Un
~AC
TA /3
A/P
A/D
TG -M-
12
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。
13
2. 数字电路控制系统
数字电路
A/D
模拟系统具有物理概念清晰、控制信号 流向直观等优点，便于学习入门，但其控 制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到 器件的性能、温度等因素的影响。
3
以微处理器为核心的数字控制系统（简 称微机数字控制系统）硬件电路的标准化 程度高，制作成本低，且不受器件温度漂 移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断 和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。