微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件

　　摘 要： 以微處理器為核心的數字控制系統（簡稱微機數字控制系統）。其硬件電路的標準化程度高，制作成本低，不受器件溫度漂移的影響，其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節的最優化、非線性、智能化等控制規律，而且更改起來靈活方便。
　　關鍵詞： 微機數字控制 直流調速 PWM調速系統
　　
　　1.引言
　　微機數字控制系統的穩定性好，可靠性高，可以提高控制性能。此外，還擁有信息存儲、數據通信和故障診斷等模擬控制系統無法實現的功能。由于計算機只能處理數字信號，因此，與模擬控制系統相比，微機數字控制系統的主要特點是離散化和數字化。離散化和數字化的結果導致了時間上和量值上的不連續性，從而引起下述的負面效應：（1）A/D轉換的量化誤差：模擬信號可以有無窮多的數值，而數碼總是有限的，用數碼來逼近模擬信號是近似的，會產生量化誤差，影響控制精度和平滑性。（2）D/A轉換的滯后效應：經過計算機運算和處理后輸出的數字信號必須由數模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續的模擬量，再經放大后驅動被控對象。
　　隨著微電子技術的進步，微處理器的運算速度不斷提高，其位數也不斷增加，上述兩個問題的影響已經越來越小。但微機數字控制系統的主要特點及其負面效應需要在系統分析中引起重視，并在系統設計中予以解決。
　　2.微機數字控制系統硬件組成
　　2.1數字控制直流調速系統的組成方式大致可分為三種。
　　2.1.1數模混合控制系統特點：轉速采用模擬調節器，也可采用數字調節器；電流調節器采用數字調節器；脈沖觸發裝置則采用模擬電路。
　　2.1.2數字電路控制系統特點：除主電路和功放電路外，轉速、電流調節器，以及脈沖觸發裝置等全部由數字電路組成。
　　2.1.3計算機控制系統在數字裝置中，由計算機軟硬件實現其功能，即為計算機控制系統。系統的特點：雙閉環系統結構，采用微機控制；全數字電路，實現脈沖觸發、轉速給定和檢測；采用數字PI算法，由軟件實現轉速、電流調節。
　　2.2微機數字控制雙閉環直流調速系統硬件結構。
　　系統由以下部分組成：主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路。
　　2.2.1主回路——微機數字控制雙閉環直流調速系統主電路中的UPE有兩種方式：直流PWM功率變換器；晶閘管可控整流器。
　　2.2.2檢測回路——檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉速檢測，其中：電壓、電流和溫度檢測由A/D轉換通道變為數字量送入微機；轉速檢測用數字測速。
　　2.2.2.1電流和電壓檢測——電流和電壓檢測除了用來構成相應的反饋控制外，還是各種保護和故障診斷信息的來源。電流、電壓信號也存在幅值和極性的問題，需經過一定的處理后，經A/D轉換送入微機，其處理方法與轉速相同。
　　2.2.2.2轉速檢測有模擬和數字兩種檢測方法。
　　（1）模擬測速一般采用測速發電機，其輸出電壓不僅表示了轉速的大小，并且包含了轉速的方向，在調速系統中（尤其在可逆系統中），轉速的方向也是不可缺少的。因此必須經過適當的變換，將雙極性的電壓信號轉換為單極性電壓信號，經A/D轉換后得到的數字量送入微機。但偏移碼不能直接參與運算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補碼，然后進行閉環控制。
　　（2）對于要求精度高、調速范圍大的系統，往往需要采用旋轉編碼器測速，即數字測速。
　　利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。這也是采用微機控制的優勢所在。
　　2.2.3控制電路——數字控制器，數字控制器是系統的核心，可選用單片微機或數字信號處理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等專為電機控制設計的微處理器，本身都帶有A/D轉換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機并不具備的故障保護、數字測速和PWM生成功能，可大大簡化數字控制系統的硬件電路。
　　2.2.4系統給定——系統給定有兩種方式。
　　2.2.4.1模擬給定：模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經A/D轉換為數字量，再參與運算。
　　2.2.4.2數字給定：數字給定是用數字量表示的給定值，可以是撥盤設定、鍵盤設定或采用通信方式由上位機直接發送。
　　2.2.5鍵盤與顯示電路。
　　微機數字控制器的控制對象是功率變換器，可以用開關量直接控制功率器件的通斷，也可以用經D/A轉換得到的模擬量去控制功率變換器。隨著電機控制專用單片微機的產生，前者逐漸成為主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列單片微機可直接生成PWM驅動信號，經過放大環節控制功率器件，從而控制功率變換器的輸出電壓。
　　3.微機數字控制系統軟件組成
　　微機數字控制系統的控制規律是靠軟件來實現的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。微機數字控制雙閉環直流調速系統的軟件有：主程序、初始化子程序、中斷服務子程序等。
　　3.1主程序——完成實時性要求不高的功能，完成系統初始化后，實現鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能。
　　3.2初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設定、系統運行參數和變量的初始化等。
　　3.3中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故障保護、PWM生成、狀態檢測和數字PI調節等，中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請，CPU實時響應。故障保護引腳的電平發生跳變時申請故障保護中斷。
　　直流調速系統的基本規律和設計方法，所有的調節器均用運算放大器實現，屬模擬控制系統。模擬系統具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優點，便于學習，但大量計算太過繁瑣。微機數字控制系統應用相應軟件來實現算法非常方便。
　　4.結語
　　傳統直流調速控制方法主要體現在硬件電路和所用的器件上，因線路復雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。微機數字控制系統直流調速系統具有調速范圍廣、精度高、動態性能好、智能化和易于控制等優點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應用。
　　
　　參考文獻：
　　［1］宋家成.直流調速系統應用與維修.中國電力出版社，2008.
　　［2］夏德黔.自動控制理論.北京機械工業出版社，1990.
　　［3］章兼源.微機控制技術.北京電子工業出版社，2003.
　　［4］陳伯時.電力拖動自動控制系統.北京機械工業出版社，1992.