吉林大学：《计算机控制技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第八章 计算机控制系统设计 8.3 双闭环直流数字调速系统（2/2）

2.电流环、速度环 数字控制器设计 在典型的双闭环晶闸管直流调速系统中，电流环调节器和速 度环调节器均采用PI调节器。其传递函数为 U(s) E(s) =K(1+ 由第四章数字控制器的模拟化设计方法，可得PI控制算式为 u(k)=u(k-1)+ae(k)-ae(k-1) a=K,+7,a=K, 采样周期T,按经验公式ω户10ω确定。其中，ω为采样角频率， ω。为系统开环频率特性的截止频率

2.电流环、速度环 数字控制器设计 在典型的双闭环晶闸管直流调速系统中，电流环调节器和速 度环调节器均采用PI调节器。其传递函数为 由第四章数字控制器的模拟化设计方法，可得PI控制算式为 采样周期T，按经验公式ω≈10ωc确定。其中，ω为采样角频率， ωc为系统开环频率特性的截止频率。 ) 1 (1 ( ) ( ) I p T s K E s U s = + ( ) ( 1) ( ) ( 1) u k = u k − + a0 e k − a1 e k − 1 p I 0 p (1 ), a K T T a = K + =

电流环、速度环 数字控制器设计 由于电流环调节器和速 取a,e(k) 度环调节器均采用PI调节器， 因此可以编制一个PI运算子程 计算aoe() 序，调用前将有关参数及偏 取a1,e(k-1) 差数据送入相应单元，则两 计算a1e(k-l) 个环可共用一个子程序。PI运 算子程序流程图如图8.4所示。 取u(k-1) 计算 u(k)=u(k-1)+aoe(k) -a1e(k-1) e(k)-e(k-1) ()*(k-1) 子程序返回 图8.4PI运算子程序流程图

电流环、速度环 数字控制器设计 由于电流环调节器和速 度环调节器均采用PI调节器， 因此可以编制一个PI运算子程 序，调用前将有关参数及偏 差数据送入相应单元，则两 个环可共用一个子程序。PI运 算子程序流程图如图8.4所示。 图8.4 PI运算子程序流程图

3,晶闸管数字触发器设计 晶闸管三相全控桥式整流电路及线电压曲线如图8,5 所示。t1~t6为自然换相点。取线电压wV从负半波到正半 波的过零点（1)作为同步基准点。根据波形图可分析出 各晶闸管的触发时刻（对应于控制角=0。)及触发顺 序。 0 Hwu uwy HUV HUW HVW HVU WwU 本D1本D3本D 12456 Uo Vo Wo- 本D4本D6本D2 (a) (b) 图8.5三相全控桥式整流电路及线电压曲线

3.晶闸管数字触发器设计 晶闸管三相全控桥式整流电路及线电压曲线如图8.5 所示。t1~t6为自然换相点。取线电压uWV从负半波到正半 波的过零点（t1）作为同步基准点。根据波形图可分析出 各晶闸管的触发时刻（对应于控制角α＝０°）及触发顺 序。 图8.5 三相全控桥式整流电路及线电压曲线

晶闸管数字触发器设计 计算机对电流调节器的输出进行计算，以同步基 准点为参考点，算出晶闸管控制角的大小，再通过定 时器按触发角大小及图8.6的顺序，准确的给各个晶闸管 发出触发脉冲，这就是数字触发器的任务。 ta Di DA D2 D4 图8.6晶闸管的触发时刻及触发顺序

晶闸管数字触发器设计 计算机对电流调节器的输出uk进行计算，以同步基 准点为参考点，算出晶闸管控制角α的大小，再通过定 时器按触发角大小及图8.6的顺序，准确的给各个晶闸管 发出触发脉冲，这就是数字触发器的任务。 图8.6 晶闸管的触发时刻及触发顺序

绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 控制算法 采用绝对触发方式，触发角是滞后自然换 相点的角度。为了用一个定时器完成对触发角的定时， 定时时间不能超过3.335。所以，需引进一个新的变量 '作为定时角度，其定义如下 o&mn≤a≤60时，'=a 60°<≤120时，0=a-60 120°<a≤amx时，a'=u-120° 其中min和0max是触发角的最小值和最大值

绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 ✓ 控制算法 采用绝对触发方式，触发角α是滞后自然换 相点的角度。为了用一个定时器完成对触发角的定时， 定时时间不能超过3.33ms。所以，需引进一个新的变量 α'作为定时角度，其定义如下 其中αmin和αmａx是触发角的最小值和最大值。       120 120 60 120 60 60 max min    = −    = −    =            时， 时， 时

绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 √建立表三相全控桥式整流电路输出电压V与控制角之间 的关系 V=2.34E,c0s 其中E,为变压器二次侧相电压有效值。 若令触发整流环节成为一个放大系数为K的线性环节，即 Va =ksuk 则有 o=arccos(λ4) 给定一个山k值，按公式可算出一个。为满足快速实时控制要 求，可离线算出山k与α的所有对应值，列成表格存入内存，这 个数据表就称为表

绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 Vd = 2.34E2 cos arccos( )  = uk Vd = Ks uk ✓ 建立α表 三相全控桥式整流电路输出电压Vｄ与控制角α之间 的关系 其中E2为变压器二次侧相电压有效值。 若令触发整流环节成为一个放大系数为Ks的线性环节，即 则有 给定一个uｋ值，按公式可算出一个α。为满足快速实时控制要 求，可离线算出uｋ与α的所有对应值，列成表格存入内存，这 个数据表就称为α表

绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 脉冲分配表数字触发器要根据图8.6给出的触发顺序， 顺次发出触发脉冲。为方便起见，建立一个脉冲分配表。 当定时器定时的时间到时，定时器发出中断申请，在中 断服务程序里从脉冲分配表中取出数据，由/○口送出， 经单稳形成宽度约1S的脉冲，再经光电隔离、功率放 大，最后通过脉冲变压器输出到晶闸管触发极。 单元地址 数据(I/O口送出) 被触发晶闸管 M XX011000 D45 M+1 XX110000 D5.6 M+2 XX100001 D61 M+3 XX000011 D12 M+4 XX000110 D2.3 M+5 XX001100 D34

✓ 脉冲分配表 数字触发器要根据图8.6给出的触发顺序， 顺次发出触发脉冲。为方便起见，建立一个脉冲分配表。 当定时器定时的时间到时，定时器发出中断申请，在中 断服务程序里从脉冲分配表中取出数据，由I/O口送出， 经单稳形成宽度约1ms的脉冲，再经光电隔离、功率放 大，最后通过脉冲变压器输出到晶闸管触发极。 绝对触发方式设计 数字触发器的一种方法 单元地址 数据（I/O口送出） 被触发晶闸管 M XX011000 D4,5 M+1 XX110000 D5,6 M+2 XX100001 D6,1 M+3 XX000011 D1,2 M+4 XX000110 D2,3 M+5 XX001100 D3,4

4.微型计算机选择 本系统要求微型计算机完成电流环和速度环的反馈信号采样、 处理和控制算法计算，以及晶闸管的数字触发控制等功能。该系统 主要由8086CPU、并行/O接口8255A、可编程中断控制器8259、同 步信号电路、A/D转换器，以及时钟电路、光电隔离器件等组成。 来自电流互感器 整形分压 AD574A 脉冲隔离放大 Co~C3 Bo~B7 AoA5 C4,C5 8255A 8086 数据总线 最小系统 地址总线 控制总线 8259 同步信号电路 8253(1) 图8.7采用Intel8086微处理器构成的全数字式直流调速系统

4.微型计算机选择 本系统要求微型计算机完成电流环和速度环的反馈信号采样、 处理和控制算法计算，以及晶闸管的数字触发控制等功能。该系统 主要由8086CPU、并行I/O接口8255A、可编程中断控制器8259、同 步信号电路、A/D转换器，以及时钟电路、光电隔离器件等组成。 图8.7采用Intel8086微处理器构成的全数字式直流调速系统

5.系统硬件和软件设计 硬件设计是在单板机或单片机的基础上，对照 系统总体框图缺少邰分加以扩充。本系统是在 TP86A单板机基础上扩充的，所用的器件都是大家 比较熟悉的通用器件。因此，根据系统总体原理框 图画出电气原理图是不困难的，这里不再画出。本 系统的主要控制功能由中断服务程序完成，程序由 汇编语言编写。主程序完成外围芯片设定和初始化、 建立脉冲分配表及存储单元的设定任务；R1中断程 序完成启动R2定时及输出控制字任务；R2中断程 序完成输出O0H控制字任务；R3中断程序完成电流 采样、电流环调节计算及触发确的计算：R4中断 程序完成速度检侧任务；R5中断程序完成速度环调 节计算任务

5.系统硬件和软件设计 硬件设计是在单板机或单片机的基础上，对照 系统总体框图缺少部分加以扩充 。本系统是在 TP86A 单板机基础上扩充的，所用的器件都是大家 比较熟悉的通用器件。因此，根据系统总体原理框 图画出电气原理图是不困难的，这里不再画出。本 系统的主要控制功能由中断服务程序完成，程序由 汇编语言编写。主程序完成外围芯片设定和初始化、 建立脉冲分配表及存储单元的设定任务；IR1中断程 序完成启动IR2定时及输出控制字任务；IR2中断程 序完成输出00H控制字任务；IR3 中断程序完成电流 采样、电流环调节计算及触发角α的计算；IR4中断 程序完成速度检测任务；IR5中断程序完成速度环调 节计算任务

6,系统调试 完成硬件和软件的分部安装、编制、调试之 后，就要进行联调，联调要分步进行。数字触发 器部分是比较独立的部分，可先单独调试通过， 然后再和电流环、速度环联调。 联调是一项细致钓工作。由于采样周期选择 欠佳、参数估值误差等等原因，一般系统不能立 即达到要求的动、静态品质指标，甚至系统是不 稳定的。根据调试出现的现象对系统进行分析， 仔细调整参数。在调试过程中，理论分析是需要 的，但往往离不开试凑法，反复调试。调试首先 要保证系统稳定，然后再保证动、静态特性，最 后调至满足系统要求为止

6.系统调试 完成硬件和软件的分部安装、编制、调试之 后，就要进行联调，联调要分步进行。数字触发 器部分是比较独立的部分，可先单独调试通过， 然后再和电流环、速度环联调。 联调是一项细致的工作。由于采样周期选择 欠佳、参数估值误差等等原因，一般系统不能立 即达到要求的动、静态品质指标，甚至系统是不 稳定的。根据调试出现的现象对系统进行分析， 仔细调整参数。在调试过程中，理论分析是需要 的，但往往离不开试凑法，反复调试。调试首先 要保证系统稳定，然后再保证动、静态特性，最 后调至满足系统要求为止