1、1,电力拖动自动控制系统,第 3 章,直流调速系统的数字控制,2,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,3,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。,4,3.3 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,5,3.3.1 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。,6,（2）测速误差率
2、,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。,7,3.3.2 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,8,旋转编码器,光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件。,增量式旋转编码器示意图,9,两对发光与接收装置，错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90,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,10,2）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
3、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。,11,3.3.3 M法测速,PLG,倍频电路,Bus,Z,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,Counter,12,M法测速的分辨率和误差率,M法测速适用于高速。,分辨率:,误差率:,13,PLG,倍频电路,Conter,CPU,INTn,f,0,3.3.4 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,14,T法测速的分辨率和误差率
4、,分辨率:误差率: T法测速适用于低速段。,15,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,16,M/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。,3.3.5 M/T法测速,17,M/T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,18,M/T法测速,转速计算,误差率,19,M/T法测速,误差率在低速时趋向于T法，在高速段M
5、/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。,20,3.3.6 M/T法测速软件,适用于8X196MC或TMS320X240,捕捉中断,21,3.3.7 数字滤波,算术平均值滤波 中值滤波 中值平均滤波,22,(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。,23,加权算术平均值滤波,其中，,在一般情况下,24,(2)中值滤波,将最近连续三次采样值排序，使得,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
6、作用时间相对较长（大于采样时间）则无能为力。,25,(3)中值平均滤波,设有N次采样值，排序后得,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。,26,3.4 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,27,3.4.1 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。,28,PI调节器的传递函数,PI调节器时域表达式其中 KP= Kpi 为
7、比例系数 KI =1/ 为积分系数,29,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,30,位置式数字PI调节器算法,积分部分：,比例部分： PI调节器的输出,31,增量式PI调节器算法,PI调节器的输出,32,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,33,PI调节器算法流程（位置式）,34,3.4.2 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
8、离算法 分段PI算法,35,(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。,36,积分分离算法,积分分离算法表达式为,其中,为一常值。,积分分离法能有效抑制振荡，或减小超调，常用于转速调节器。,37,(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。,38,设计思想,在双闭环直流调速系统中，电流调节
9、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。,39,3.6 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。,40,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
10、测元件本身的故障只能依靠人工来检查。,41,3.6.1 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。,42,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。,43,2 过电流、过载故障检测,过电流、过载是电力拖动
11、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。,44,3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。,45,3.6.2 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，必须设置软件保护。,46,3.6.3 故障自诊断,故障自诊断因系统主回路结构而异，下面以直流不可逆PWM 调速系统为例进行简单的介绍。实时检测直流供电电压E、供电电流IE、电枢电压Ud和电枢电流Id，结合IGBT的驱动信号，进行逻辑分析与推理，对主回路进行故障诊断。,47,48,49,本章小结,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。 采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高； 可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。,
