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1、4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1 1电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第第 3 3 章章直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2 2主要内容主要内容l微型计算机数字控制的主要特点l微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件l数字测速与滤波l数字PI调节器l*故障检测、保护与自诊断4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3 3l学习要点：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
2、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。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统4 43.3 3.3 数字测速与滤波数字测速与滤波n数字测速精度指标n数字测速方法nM/T 法测速软件框图4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统5 53.3.1 数字测速精度指标数字测速精度指标（1 1）分辩率）分辩率 改变一个计数字所对应的转速变化量改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率来表示分辨率Q Q。Q Q 越小，测速装置的分辩能力越强越小，测速装置的分辩能力越强。4949电力拖动自动控制系
3、统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统6 6（2 2）测速误差率）测速误差率 测量值与实际值的相对误差来表示，测量值与实际值的相对误差来表示，的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统7 73.3.2 3.3.2 数字测速方法数字测速方法1）旋转编码器旋转编码器 在数字测在数字测速中，常用速中，常用光电式旋转光电式旋转编码器作为编码器作为转速或转角转速或转角的检测元件。的检测元件。光电转换光电转换4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统8 8旋转编码器旋转编码
4、器 光电式光电式旋转编码旋转编码器是转速器是转速或转角的或转角的检测元件。检测元件。增量式旋转编码器示意图增量式旋转编码器示意图 4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统9 9两对发光与接收装置，错开光栅节距的两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两，两组脉冲序列组脉冲序列A和和B的相位相差的相位相差90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4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1
5、0102）测速原理）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。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统11113.3.3 M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Z=倍频系数PLG光栅数 测速原理与波形图Counter4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传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 M法测速适用于高
6、速。法测速适用于高速。分辨率:误差率:4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1313PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.4 T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4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传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 T法测速适用于低速段。法测速适用于低速段。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1515lM法测速在高速段分辨率强；lT法测速在低速段分辨率强；因此，可以将两种
7、测速方法相结合，取长补短。n两种测速方法的比较4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1616 M/TM/T法既检测法既检测 T Tc c 时间内时间内PLGPLG输出输出的脉冲个数的脉冲个数M M1 1，又检测相同时间间隔，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数的高频时钟脉冲个数M M2 2。应保证高频时钟脉冲计数器与应保证高频时钟脉冲计数器与PLGPLG输出脉冲计数器同时开启与关闭，输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减小误差以减小误差。3.3.5 M/T3.3.5 M/T法测速法测速4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动
8、控制系统1717M/TM/T法测速波形图法测速波形图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4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1818M/TM/T法测速法测速转速计算转速计算误差率误差率4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统1919M/TM/T法测速法测速 误差率在误差率在低速时趋向于低速时趋向于T T法，法，在高速段在高速段M/TM/T法相当于法相当于T T法的法的 M M1 1次平均，而在这次平均，而在这 M M1 1 次中最多产生一个高频时钟脉冲
9、的误差。次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。故误差率小。故误差率小。M/TM/T法测速适用的转速范围宽，测法测速适用的转速范围宽，测速精度高速精度高。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统20203.3.6 M/T3.3.6 M/T法测速法测速软件软件 适用于8X196MC或TMS320X240捕捉中断4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统21213.3.7 3.3.7 数字滤波数字滤波 l算术平均值滤波算术平均值滤波l中值滤波中值滤波l中值平均滤波中值平均滤波4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电
10、力传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。优点：算法简单。缺缺点点：需需要要较较多多的的采采样样次次数数才才能能有有明明显显的平滑效果。的平滑效果。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2323加权算术平均值滤波加权算术平均值滤波其中，其中，在一般情况下4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传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，使得将最近连续三次采样值排序，使得 取中值取中值X X2 2为有效信号，舍去为有效信号，舍去X X1 1和和X X3 3。中中值值滤滤波波能
11、能有有效效地地滤滤除除偶偶然然型型干干扰扰脉脉冲冲（作作用用时时间间短短、幅幅值值大大），当当干干扰扰信信号号作作用用时时间间相相对对较较长长（大大于于采采样样时时间间）则则无无能能为力。为力。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2525(3)中值平均滤波设有设有N N次采样值，排序后得次采样值，排序后得 去掉最大值去掉最大值X XN N和最小值和最小值X X1 1，剩下的取算术，剩下的取算术平均值即为滤波后的值，平均值即为滤波后的值，中中值值平平均均滤滤波波是是中中值值滤滤波波和和算算术术平平均均值值滤滤波波的的结结合合，既既能能滤滤除除偶偶然然型
12、型干干扰扰脉脉冲冲，又又能能平平滑滑滤滤波波，但程序较为复杂，运算量较大但程序较为复杂，运算量较大。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统26263.4 数字PI调节器l 模拟模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化l 改进的数字改进的数字PIPI算法算法l 智能型智能型PIPI调节器调节器 4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统27273.4.1 3.4.1 模拟模拟PIPI调节器的数字化调节器的数字化 当采样频率足够高时，可以先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按模拟系统的设计方法设计调
13、节器，然后再离散化，得到数字控器，然后再离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。的数字化。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2828 PIPI调节器的传递函数调节器的传递函数PIPI调节器时域表达式调节器时域表达式其中其中 K KP P=K Kpipi 为比例系数为比例系数 K KI I =1/=1/为积分系数为积分系数 4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统2929 PIPI调节器的差分方程调节器的差分方程将上式离散化成差分方程，其第将上式离散化成差分方程，其第
14、 k k 拍输出为拍输出为其中，其中，T Tsamsam为采样周期为采样周期 4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3030位置式位置式数字数字PIPI调节器算法调节器算法积分部分：积分部分：比例部分：比例部分：PIPI调节器的输出调节器的输出4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3131增量式增量式PIPI调节器算法调节器算法lPI调节器的输出调节器的输出4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3232 限幅值设置限幅值设置 增量式增量式PIPI调节器算法只需调节器算法
15、只需输出输出限幅；限幅；位置式算法必须设置位置式算法必须设置积分限幅积分限幅和和输出限幅输出限幅，缺一不可缺一不可。不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3333 PIPI调节器算法流程（位置式）调节器算法流程（位置式）4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统34343.4.2 3.4.2 改进的数字改进的数字PIPI算法算法 微机数字控制系统具有很强的逻辑判断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，可和数值运算能力，充分应用这些能力，可以衍
16、生出多种改进的以衍生出多种改进的PIPI算法，提高系统的算法，提高系统的控制性能。控制性能。l积分分离算法积分分离算法l分段分段PIPI算法算法4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3535(1)(1)积分分离算法积分分离算法l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。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传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l积分分离算法表达式为积分分离算
17、法表达式为其中 为一常值。积分分离法能有效抑制振荡，或减小超积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调调，常用于转速调节器。，常用于转速调节器。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3737(2)(2)分段分段PIPI算法算法 分段分段PIPI算法可以解决动态跟随性和算法可以解决动态跟随性和稳定性的矛盾，分段稳定性的矛盾，分段PIPI算法的表达式与算法的表达式与离散离散PIPI算法完全一样，算法完全一样，但有两套或多套但有两套或多套PIPI参数，可根据转参数，可根据转速或（和）电流偏差的大小，在不同套速或（和）电流偏差的大小，在不同套的参数中进行切换。的参数
18、中进行切换。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统3838设计思想设计思想 在双闭环直流调速系统中，电流调节器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。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在转速偏差大时，电流调节器应选用较大的大的K KP P和和K KI I参数；参数；使实际电流能迅速跟随给使实际电流能迅速跟随
19、给定值。定值。在转速偏差较小时，过大的在转速偏差较小时，过大的K KP P和和K KI I又将又将导致输出电流的振荡，导致输出电流的振荡，增加转速调节器的增加转速调节器的负担，严重时还将导致转速的振荡。负担，严重时还将导致转速的振荡。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统39393.6 3.6 故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断 对实时采样的数据进行处理和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，这就障发生处作出正确的判断，
20、这就是是故障自诊断故障自诊断。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传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 故障检测、保护与自诊断的前提是故障检测、保护与自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，无误，而对于计算机和检测元件本身的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。故障只能依靠人工来检查。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统41413.6.1 3.6.1 故障检测故障检测1.1.供电电源故障检测供电电源故障检测 三相供电电源常见的故障
21、为过电压、三相供电电源常见的故障为过电压、欠电压和缺相。欠电压和缺相。由三相供电电源经电压互感器、三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，经压幅值成正比的直流电压，经A/DA/D转换输入转换输入至计算机。至计算机。数字控制系统定时采样该直流数字控制系统定时采样该直流电压，并与上、下限值进行比较电压，并与上、下限值进行比较，即可判，即可判断是否出现过电压或欠电压故障。断是否出现过电压或欠电压故障。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统4242缺相检测缺相检测缺相检
22、测采用缺相检测采用缺相继电器缺相继电器:正常时，继电器常开触点打开，缺相输正常时，继电器常开触点打开，缺相输出信号为低电平；出信号为低电平；缺相时，继电器常开触点闭合，缺相输缺相时，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。电路电平，即可判断是否出现缺相故障。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统43432 2 过电流、过载故障检测过电流、过载故障检测 过电流、过载是电力拖动控制系统较过电流、过载是电力拖动控制系统较易出现的故障，易出现的故障，检测功率变换器检测
23、功率变换器UPEUPE的输入、的输入、输出电流输出电流，可判别是否出现故障及故障类，可判别是否出现故障及故障类别，如图所示。别，如图所示。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统44443 3失磁故障检测失磁故障检测 检测励磁电流检测励磁电流I If f(如上图所示如上图所示)，当，当 时，出现失磁故障。时，出现失磁故障。4.4.超速故障超速故障 当转速当转速n n越过最高限定转速越过最高限定转速n nmaxmax时，时，出现超速故障。出现超速故障。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统45453.6.2 3.6
24、.2 故障保护故障保护 发生故障时，必须进行保护，以免故障进发生故障时，必须进行保护，以免故障进步步扩大，故障保护一般分为扩大，故障保护一般分为硬件硬件和和软件软件两级保护。两级保护。1)1)硬件保护。快速封锁功率变换器硬件保护。快速封锁功率变换器UPEUPE的驱动的驱动信号，并将信号，并将UPEUPE与供电电源断开。与供电电源断开。2)2)软件保护。进入故障保护中断程序，锁存故软件保护。进入故障保护中断程序，锁存故障信号，禁止障信号，禁止UPEUPE驱动信号输出，通过外围电路显驱动信号输出，通过外围电路显示故障类型，并同时产生声、光等报警信号。示故障类型，并同时产生声、光等报警信号。硬件保护
25、起作用后，故障随之消失，如果没有硬件保护起作用后，故障随之消失，如果没有软件保护，系统将重新投入运行，再次导致故障出软件保护，系统将重新投入运行，再次导致故障出现。因此，现。因此，只有硬件保护是不够的，必须设置软件只有硬件保护是不够的，必须设置软件保护。保护。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统46463.6.3 3.6.3 故障故障自诊断自诊断 故障自诊断因系统主回路结构而异，故障自诊断因系统主回路结构而异，下面以直流不可逆下面以直流不可逆PWM PWM 调速系统为例进行调速系统为例进行简单的介绍。简单的介绍。实时检测直流供电电压实时检测直流供电电
26、压E E、供电电流、供电电流I IE E、电枢电压电枢电压U Ud d和电枢电流和电枢电流I Id d，结合，结合IGBTIGBT的驱动的驱动信号，进行逻辑分析与推理，对主回路进信号，进行逻辑分析与推理，对主回路进行故障诊断。行故障诊断。4949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统47474949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统48484949电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统电力传动控制系统4949本章小结本章小结 采用计算机控制电力传动系统的采用计算机控制电力传动系统的优越性在于可显著提高系统性能。优越性在于可显著提高系统性能。l采用数字给定、数字控制和数字检采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高；测，系统精度大大提高；l可根据控制对象的变化，方便地改可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。能力。