《自动控制系统》-电力拖动自控系统

1. 电力拖动自动控制系统(陈伯时)[10411~4] Created by Kairry
第三章 直流调速系统的数字控制
★离散化、数字化的概念；
★数字直流调速系统的组成结构与特点；
前两章讲述了直流调速系统的各种调速方案的原理及参数设计。调速方案的控制
电路都是由电子器件（如集成运放、门电路等）组成，即通常所说的模拟控制。上
述的各种调速方案的控制功能也可以全都由微处理器来实现，即采用数字控制方案。
数字控制与模拟控制相比较，有以下优点：
① 硬件电路标准化程度高，制作成本低，且不受器件温漂影响。
② 容易实现复杂的控制思想，调速精度高于模拟调速系统。
③ 可靠性（故障率）及可维护性（排除故障时间短）高于模拟调速系统。
④ 拥有信息存储，数据通信及故障诊断等模拟控制系统所不具的功能。
数字系统区别于模拟系统的主要特点：
① 离散化——现实中的各种参数信号通常都是连续的模拟量，要使其为计算机
所识，必须先在具有一定周期采样时刻对参数信号量进行实时采样，形成一
连串脉冲信号（离散的模拟信号）
。
② 数字化——上述所得的信号实质仍是模拟量，不能输入给计算机。还必须进
行数字量化（用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值）
。
但离散化和数字化的结果（时间上及量值上的不连续性）却会产生量化误差；计
算机运算处理后的控制信号不能直接作用于被控对象（须 D/A 转换，会影响系统的
稳定性）。不过随着计算机及微电子技术的发展，这些问题的影响已得以克服。

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3.1 采样频率的选择
在实际控制系统中把连续信号变换成一串脉冲序列的部件，称为采样器。显见采
样频率越高，离散系统就越接近于实际的连续系统。但在采样周期内必须完成信号
采集与转换并完成控制运算输出控制信号，所以采样周期不能太小。而为保证不损
失信息，采样周期也不能取得过大，它与对象的最大时间常数相比应是很小的。
那采用频率究竟如何确定？香农(shannon)采样定理
假设连续信号 f(t)具有的频谱如图所示，该信号 f(t)
不包含任何大于ω1 频率分量。
p
2
若： w sam = (式中 T 为采样周期)大于 2ω1
T
即 wsam > 2 1 (式中 2ω1 相应于连续信号 f(t)的频谱）
w
则：信号 f(t)可以完满地从采样信号 f*(t)恢复过来。
实际系统中，信号的最高频率很难确定，尤其是非周期信号（0~∞连续频谱）。
1
工程上通常取 Tsam £ Tmin 或 w sam ³ (4 ~ 10) c （ωc 为系统截止频率）
w 。
4 ~ 10
3.2 数字量化
采样后，信号在时间上是离散，但幅度仍
然连续变化 （幅度取值是无限的）接收时无
法准确判定样值。所以必须量化（按预先规
定的有限个电平表示模拟采样值的过程）。
量化原则：在保证不溢出的前提下，尽可能

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提高精度。通常用存储系数 K 来表示量化的精度。参见教材 P98 例。
3.3 旋转编码器
旋转编码器又称角编码器或码盘，是一种多采用光电式的旋转位置传感器，用于
检测转速或转角信号。分有绝对式和增量式两种。
绝对式编码器的码盘分层刻上表示角度的二进制码或循环码（格雷码）如图示。
二进制码盘要求各个码道刻划精确，彼此对
准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的
制作误差，只要有一个码道提前或延后改变，
就可能造成输出的粗大误差。
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码
道数 n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： a = 360o / 2 n 分辨率= 1 / 2 n
增量式编码器的码盘均匀地刻有 A 组与 B 组两组光栅，彼此错开 1/4 节距，使两
组狭缝相对应的光敏元件所产生的信
号 A、 彼此相差 90°相位，
B 用于辩向。
当编码正转时， 信号超前 B 信号 90°；
A
当码盘反转时， 信号超前 A 信号 90°。
B
其转速测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的光栅数 n 有
关，即分辨角度为： a = 360o / n 分辨率=1 / n 。
采用倍频电路可在不增加光栅数的情况下提高分辨率。测速的方法有三种：
① Ｍ法测速——在一定的时间 Tc 内测得编码器产生的脉冲数 M1 来测转速 。
可得脉冲频率 fM= M1/Tc ，若旋转编码器旋转一圈产生 Z 个脉冲，则转速为
M 1 Z M 1
60 ´ = ； n = 60 ´ (r / min) 适合于高转速场合。
TC 1 / n TC Z

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② T 法测速——测量编码器所产生的两相邻脉冲之间的时间 Tt 来测转速。
需用已知高频标准时钟 f0，测得 Tt 内标准时钟脉冲个数 M2。
1 / Tt f
可得 Tt = M 2 / f 0 转速为： n = 60 ´ = 60 0 (r / min) 适合于低转速场合。
Z ZM 2
③ M/T 法——把 M 法和 T 法结合在一起，既检测时间 Tc 内的脉冲数 M1 ；又检
测同一时间间隔内的高频时钟脉冲个数 M2，来计算转速。
M1 M 60 1 f
M 0
有 n = 60 ´ = 60 1
= (r / min)
ZTC ZM 2 / f0 ZM 2
低速时， 1 趋于 1，
M M/T 法趋向于 T 法，而高速段 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。
因此，M/T 法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。是目前
广泛应用的一种测速方法。
3.4 数字控制直流调速系统
系统的组成方式大致可分为三种：
1. 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。
2. 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

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组成。
3. 计算机控制系统特点：
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。
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。