用微型计算机控制直流电机可逆调速系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.02.029 北京解铁孿院学报 1982年第2期 用微型计算机控制直流电机可逆调速系统 工业自动化教研室赵殿甲王顺晃倪忠远齐家国曹振江 摘 要 本文介绍采用Cromemco System夏(Z-80)微型计算机软件代替可逆可控 硅逻辑无环流控制系统中的模拟速度调节器(ST)，和模拟电流调节器(LT)及 四象限逻辑切换运算器，对可逆可控硅直流调速系统进行直接数字控制(DDC) 的原理、方法，并给出简单程序框图和实验结果。通过实验和波形拍照说明采用微 型计算机控制直流电动机可逆调速系统是可行的，而且是可靠的，达到了予期的效 果。 一、问题的提出 近几年来微型计算机的价格愈来愈低廉，其应用也愈来愈广泛。但是在电气的传动领域 里采用微型计算机进行DDC控制还是一个新的课题。日本七十年代末期在实验室开始这一 工作的研究，并取得了一定的成果。 由于直流可逆调速系统的响应时间很快，用微型机对这种系统进行实时控制带来了不 少新问题，其中最主要的是要求在极短时间内完成采样，数据处理、计算及实时控制，因而 其难度较大。然而我们认为在传动系统中用微型机进行DDC控制还是有不少优点的，可简 单归纳如下： 1.常规的SCR控制系统中的大量硬件部分可以用软件代替，从而简化了系统，减少 电子元件虚焊，接触不良和飘移等引起的一些故障，维护方便。 2。动态参数调整灵活方便，只须改变软件中几条伪指令的参数即可。 3。系统可以很方便设计监控、故障自珍断、故障自动复原程序以提高系统的可靠性。 4,可采用数字反馈提高系统的静态精度。 5。系统可以很方便对现场的信息进行数字滤波，提高系统抗干扰的能力。 6.容易与上一级计算机交换信息。 缺点是目前国内尚不容易买到合适廉价的微型机。但是我们相信，随着微型机的发展， 在电气传动领域里应用微型机进行直接数字控制是有着广阔的前景。 注：参加该项实验工作的还有陈景茗黄承云、王尚钧、张洪利等同志。 76

北 京 栩 铁 攀 映 举 报 年第 期 用微型计算机控制直流 电机可逆调速系统 工 业 自动化 教研 室 赵段 甲 王 顺 晃 倪忠远 齐家国 ，振江 摘 要 本文介绍采用 。 。 一 微型 计算机软件代替可逆可控 硅 逻 辑无环流控制系统 中的模 拟速度调节器 ， 和模 拟电流调 节器 及 四 象限 逻 辑切 换运算器 ， 对可逆可控硅 直 流调 速系统进 行直 接数字控制 的原理 、 方法 ， 并给出 简单程 序框 图和实验结果 。 通 过实验和 波形拍照 说 明采用 微 型 计算机控制直 流电动机可逆调速系统是可行 的 ， 而且是可 靠 的 ， 达到 了予期 的效 果 。 一 、 问题 的提 出 近 几年来微型 计算机 的价格愈来愈低廉 ， 其应 用也 愈来 愈广 泛 。 但是在 电气的传动领域 里采用 微型计算机进行 控制还是一个新 的课题 。 日本七 十年代末期在实验室开 始这一 工作的研究 ， 并取得了一定的成果 。 由于直 流可逆调 速系统 的 响应时间很快 ， 用 微 型 机对这种系统进 行实时控制 带 来 了不 少新 问题 ， 其 中最主要的是要 求在极短时间 内完成采样 ， 数据处 理 、 计算及实时控 制 ， 因而 其难度较大 。 然而我们 认为在传动系统 中用 微型机进行 控 制还是有不 少优点 的 ， 可简 单归纳 如下 常规的 控 制系统 中的大量 硬件部分可 以用软件代替 ， 从而简化 了系统 ， 减少 电子元件虚焊 ， 接触不 良和 飘移等 引起的一 些故障 ， 维护方便 。 动态 参数调整 灵活方便 ， 只须改变 软件 中几 条伪指令的参数 即可 。 系统可以很方 便设计监控 、 故障自珍断 、 故障自动复原程序以提高系统 的可靠性 。 可采用数字反 馈提高系统 的静态精度 。 系统可 以 很方 便对现场 的信息进 行数字滤波 ， 提 高系统抗干扰 的能力 。 容易与上一级计 算机交换信息 。 缺点是 目前国 内尚不 容易买 到合适廉价的微型机 。 但是 我们相 信 ， 随着微型机 的 发 展 ， 在 电气传动领域里 应 用 微型机进行直 接数字控制是有着广 阔 的前景 。 注 参加 该项 实验工 作的还 有 陈景茗黄承 云 、 王 尚钧 、 张洪利 等同志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．02．029

·二、数字调节器的设计及DDC系统的组成 目前DDC系统中数字调节器的设计常用三种方法。 I,利用离散系统的分析方法直接求出数字调节器的Z变换表达式，然后求出其差分方 程，例如用最小拍系统的方法或前馈控制的方法来设计数字调节器。 I.利用连续系统的设计方法例如二阶或三阶最佳化的方法设计出连续系统调节器的传 递函数，.然后离散化，得到计算机控制用的差分方程。 【.利用连续系统的设计方法，设计出连续系统调节器的传递函数，再乘以零价保持器 的传递函数后进行Z变换得到它的脉冲传递函数，然后求出差分方程。 I和【的推导本质上是一致的，因此其结果也 应一致。由于对连续系统的综合已有较成熟的经 X(s) 验。所以当采样频率足够高时常用I或来设计。 我们是利用方法1来求数字调节器的差分方 (s 程。众所周知，电流调节器和速度调节器一般均采 用比例积分调节器。为了改善动态品质，速度环还 K( 引入并联微分负反馈。我们是用频率法来确定电流 调节器的参数，用线性二次型性能指标最优来确定 图1比例积分调节器 速度调节器的参数的。 下面求比例积分调节器离散化后差分方程的表达式，比例积分调节器的传递函数为： }=K+等 u(S) (1) 比例积分调节器可以看做是一个比例调节器和一个积分调节器并联组成，如图1所示。 它的状态方程为： x(t)=Ku(t) (2) y(t)=x(t)+K:u(t) 上述状态方程的解为 x()=4(t)x(0+灯∫4(t-t)Bu(r)dr 对于定常系统有 x(t)=eAx(0)+feBu(r)d 这里A=0,B=K所以有 x(nT)=x〔(n-1)T)+K;Tu〔(n-1)T) 可简写成： xa=x-1+KiTun-1 于是比例积分调节器的输出方程为 yn=xn+Kiun =xn-1+KiTun-1+Kiun =xn-1+Kiua-1-Kiu-1+KTu-1+Kiu 77

二 、 数 字调 节器 的设 计及 系统的组成 目前 系统 中数字调 节器 的设 计常用三种方 法 。 利用 离散系统的分析方 法直 接求出数字调 节器 的 变换表达式 ， 然后求出其差 分方 程 ， 例如用 最小拍系统 的方 法或前馈控 制 的方法来设计数字调 节器 。 利用连续系统 的设 计方 法例 如二 阶或三 阶最佳化的方法设计出连续系统 调 节器 的传 递函数 ， 然后 离散化 ， 得到计算机控制 用 的差分方程 。 ， 利用 连 续系统 的设 计方 法 ， 设 计 出连续系统 调 节器 的传递 函数 ， 再乘 以零价保持器 的传递 函数后进 行 变换得 到它 的脉 冲传递 函数 ， 然后 求出差 分方程 。 和 ，的推导本质 上是一致 的 ， 因此 其结果也 应一致 。 由于对连 续系统 的综 合 已有较成 熟的 经 验 。 所 以 当采 样频率 足够高时常用 或 来设计 。 我们 是利 用方 法 来求 数字调 节 器 的 差 分方 程 。 众所周 知 ， 电流调 节器和 速度调 节器一般均采 用 比例 积 分调 节器 。 为 了改善动态品质 ， 速度环还 引入 并联微分 负反 馈 。 我们 是用频率法来确定 电流 调 节器 的 参数 ， 用 线性二次型性能指标最 优来确定 速度调节器 的 参数的 。 下面 求比例 积 分调 节器 离散化后 差分方程 的 表达 式 ， 图 比例积分调 节器 比例积 分调 节器 的传递 函数为 琴李气票李 盆 比例积 分调 节器可 以 看 做是一 个比例调 节器和一个积 分调节器 并联组成 ， 如图 所示 。 它 的状态方程为 石 、 上述状 态方程 的解为 对于定常系统 有 小 。 。 卜 · · · 一 。 卜 二 ‘ 一 ， · 、 · · 这里 ， 井所 以有 〔 一 〕 二 〔 一 〕 可简 写成 。 。 一 畜 。 一 于是 比例 积 分 调 节器 的输出方 程为 。 。 。 卜 石 卜 。 卜 一 一 。 一 盆 卜 厂

=y-1+(K1-K)un-1+Kiun START =yn-1+K{u。+K:un-1 (3) 这里K=K!T-K! 由A/D转换输入给定量 上式就是比例积分调节器的传递函数离散化以后的差分 及反馈量并且求出调节 方程递推表达式。在进行实时计算及在线控制时，这种递推 器输入量u。 算法容易引起积累误差，为此我们把(3)式改写成非递推 算法， Hk=u。+, 》u yn=ya-1+K!um+K经un-1 k0 =yn-2+Kiuo-1+Kiun-2+Kiun+Kiun-1 =y。+K:u1+K:u。+…+Kiun-4 计算，K1召0， Kiun-2+Kiun+Kiu-1 =K!u。+K!u1+Ku。+… 计算：K:ua +Kiun-1+K3un-+Kiun+Kiun-1 =(K!+K)u。+(K4+K)u1+… 计算，ya=Kiun+Kr∑ug +(K+K)un-1+Kiua n-1 =Kum+K,∑uk 限幅处理 k=0 =Kiu。-Kzun+K2un n-1 输出 +K&∑uk k=0 STOP =(K;-K)un+K:∑uk k=0 图2PI调节器计算框图1 0 =K,u+K:∑uk (4) k=0 其中K,=K!-K2 K=K1+K4=KT 对应(4)式的计算框图如图2所示。 也可以用方法I由(1)式推导如下： 零价保持器的传递函数为： Gh(S)=1-e-Ts (5) 对应的脉冲传递函数为： 言8-z-g(K+K/5)以 78

“ 。 一 ， 〔 二飞 一 卜 一 厂 。 了 一 这 里 ，’ 二 一 上式就 是 比例积分调 节器 的传递 函数 离散化 以后 的差 分 方程 递推表达 式 。 在进行实 时计算及 在线控 制时 ， 这种 递推 算法容易 引起积 累误 差 ， 为此 我们把 式改 写成非递推 算法 。 。 一 。 ，’ 卜 二 卜 厂 卜 ，’ 卜 。 ，’ 卜 。 厂 了 。 … … 卜 窗 一 。 ，’ 卜 厂 。 ，’ 。 … … 卜 ，’ 卜 盆 。 ，’ 卜 厂 公 。 盆 ，’ … … 了 卜 一 由 转换抽入给定 及反该 并且求出调节 器幼入且 。 忑瓦币月 ’ 计算 馨 。 · 计算 。 计算 。 二 ， “ 七芝二三 · 乏 。 一 。 一 乏 限幅处理 输出 一 。 乏 阁 调 节器计 算框 图 艺 ‘ 其中 卜 ，’ 盆 对应 式 的计算框 图 如图 所示 。 也可 以用方法 由 式推 导如下 ，’ 零价保持器 的传递 函数为 一 二 一 坛 吸 － 了 ’ 对应的脉冲传递 函数为 一 ‘ 一 已一﹃ 乙 一 ‘ “ ， 争

=1-zzK+K/5} =1-[+] START =K+ 由A/D转换着输入给定置 =K+(KT-K1)z- 及反愤量，并求出“。 1-z-r (6) (6)式可写为差分方程 计算：K:‘u。 yn=yn-1+Kiun+(KT-Ki)uo-1 =yn-1+Kiun+Kiun-1 (7) 其中： K3=KT-K 计算：K,um-l 显然(3)式与(7)式是一样的。(7)式的计算 框图如图3所示。 为了改善系统的动态品质，速度调节器加入并联微 计算：y。=yn=-1+K,'um +K:un-1 分负反馈，设并联微分的传递函数为： ys)=1+K'5 (8) u(s) y。限幅处理 或写为： y()=u()+K,du(t) du (9) 了。箱出 设其采样周期为△T,而t=n△T 则y(n△T)≈u(n△T)+KAu(n△T) △T (10) STOP △u(n△T)=u(n△T)-u〔(n-1)△T) 图3PI调节器计算框图 采用简化记号得： START K′ ya=um+△T(ua-“n-i)=un+K(un-“a-i) A/D转换器输入xm (11) 计算：u一u-! 式中 K=K/AT (11)式计算框图如图4所示。 计算：K(ua-un-i) 我们在实验中用cro memco system【由D+7A 部件输入阶跃给定，经PI运算再由D+7A部件输出模 计算yn=ut收4-u-i) 拟量其波形如图5所示。 图中罗线上半部分调节器输出达到饱和时的输出波 输出y, 形。 STOP 又利用cro memco system盟中TU一ART(双 道异步收发器)部件作为实时钟，提供中断源，进行 图4并联徽分计算框图 79

一 一 ’ 州弓 一 〔 一 一 ‘ ’ 二 一 一 一 ‘ 二 一 ‘ 一 一 ‘ 盆 二 一 厂 一 ‘ 一 一 玉 式可 写为差分方程 。 一 盆 。 二 一 盆 卜 一 。 ，’ 卜 ， 其 中 ，’ 二 二 一 呈 显然 式 与 式是一 样 的 。 式 的计算 框 图如 图 所示 。 为了改善系统 的 动态 品质 ， 速度调 节器 加入 并联 微 分 负反 馈 ， 设 并联 微 分 的传递 函数为 ， 由人 转换器摘入绮定 及反谈 、 并求出“ 计算 ‘ 。 。 计算 户“ 。 一 ， 计算 。 二 卜 ‘ ， 。 ， “ 一 。 限福处理 ，。 枪出 ， 一 ︸ 或写为 产 设 其采样周 期为△ ， 而 △ 则 · △ 、 · · 、 ， 红份工乞 。 ’ △ △ △ 一 〔 一 △ 〕 采用 简化记 号得 图 调 节器计算框图 。 。 廊 ” 。 卜 。 。 一 卜 一 式 中 ‘ △ 式计算框图 如 图 所示 。 我们 在实验中用 由 部件输入 阶跃给定 ， 经 运 算再 由 部 件 输出模 拟量 其 波形如图 所示 。 图 中零线 上半部分调 节器输出达到饱 和 时 的输出波 形 。 又利用 。 。 里 中 一 双 通道异步收发器 部件 作为实时 钟， 提供 中断源 ， 进行 图 并联 微 分 计 算框 图

000 图5数字PI调节器在阶跃给定下的输出响应。 定时采样，其采样围期电流环为1ms,速度环为9.6ms。四象限逻辑切换周期约为9.6ms 〔4)，A/D及D/A转换是利用D+7A部件实现。电流反馈及零电流讯号是由交流互感器取 出经整流滤波后送入D+7A部件。速度反馈由测速机取出讯号也送到D+7A。再由D+7A 输出四象限切换逻辑及触发移相装置的控制电压。 速度反馈我们未加滤波网络而采用数字滤波达到抗快随机起伏和慢随机起伏的目的〔3)， 同时，因为速度调节器部分采样周期较长，而速度变化又较慢，所以加入线性外推器（外推 一步)。 实验用的电机功率为1.1千瓦，电压220伏、电流5.8安、速度1000转/分、GD=0.44 公斤米、R。=4,92欧、LD=48.5毫享 电抗器参数为：电阻Rx=1.883欧、电感LK=209.4毫享 变压器参数为：Rx=0.4欧、LT=94.7毫享 电流环的比例系统为：K,=0.9961 电流环的积分系数为：K,=0.0586 速度环的比例系数为：K,=0.9766 速度环的积分系数为：K4=0.1563 并联微分反馈系数为：Kg=0.7031 SCR供电分别接成三相零式和三项桥式反并联两种方案，对于三相零式，其触发器采 用单结晶体管组成，用序列脉冲触发。电流反馈由直流侧取出经隔离变换后送入D+7A。 对于三相桥式，则采用正弦波移相触发器，并且加有αm:n及Bm:的限角保护环节。 图6示出DDC调速系统的完整框图。 餐型机 D+7A D四 多 回象限夏枫 切换运算是 南 晰离变油 A/D 数半电沈 PI调0 P1测节 D/A 线性外推品 极半洗波 A/D A/D 速度给定 ■ 图6 DDC调速系统框图 80

图 数字 调 节器在 阶跃 给定下 的输出响应 。 定时采样 ， 其采样围斯电流环为 ， 速度环为 。 四 象限逻 辑切换周 期约为 〔 〕 ， 及 转换是利用 部件实现 。 电流反馈及零 电流讯号是 由交流互感器取 出经整流滤波后送入 部件 。 速度反馈 由测速机取 出讯号也送到 。 再由 输出四 象限切换逻 辑及触发移相装置 的控制 电压 。 速度反馈我们未加滤波 网络而采用数字滤波达 到抗快随机起伏和 慢随机起伏的 目的 〕 ， 同时 ， 因为速度调节器部分采 样周 期较长 ， 而速度变化又较慢 ， 所 以加入 线性外推 器 外推 一步 。 实验用 的电机功率为 千瓦 ， 电压 伏 、 电流 安 、 速度 。 。 。 转 分 、 ’ 公斤 米 、 。 欧 、 。 毫享 电抗器参数为 电阻 欧 、 电感 毫享 变压器参数为 ， 欧 、 毫享 电流环的比例系统为 二 。 电流环的积分系数为 速度环的比例系数为 。 速度环的积分系数为 并联微分反馈系数为 。 。 供 电分别接成三 相零式和三项桥式反并联 两种方案 ， 对于三相零式 ， 其触发器采 用单结 晶体管组成 ， 用 序列脉冲触发 。 电流反馈 由直 流侧取 出经 隔 离变换后送入 。 对于三 相 桥式 ， 则采用 正 弦波移相触发器 ， 并且加有 ‘ 。 及 日 。 ‘ 。 的限 角保护环节 。 图 示出 调速系统 的完整框 图 。 口 习 〔二」 数 字电流 调节各 』 本幸 图 调速系统框图

三、DDC可控硅可逆直流电机调速系统的试验结果 我们首先在三相零式反并联调速系统上进行实验，其主回路电压为110伏，电机转速 500转/分，用微型机软件代替了速度调节器、电流调节器及无环流逻辑切换环节。图7示出 了在阶跃给定下其速度和电流波形图。 由于生产中一般都用三相桥式反并联的调速系统，所以我们又在三相桥式反并联系统上 进行了各种指标的试验。以下所有波形图均在主回路电压220伏，电机转速1000转/分的情况 下得到的。 电 逻辑 时标0.1S 给定 时标0.1S 图8 单向速度阶跃下电机启动 和制动过程中的逮速和电 图7阶跃给定下速度和电流波形 流波形图 在逻辑无环流控制系统中为了消除在切换过程中的电流冲击，·一般都把刚切换过来的一 组SCR的脉冲位置推到Bm:的地方，即所谓无准备切换，但这样严愈影响快速性。为此我 们采用有准备切换的逻辑无环流控制系统，即加有电压记忆（或电势限踪）环节。我们用几 条指令即可实现上述要求。图9和图10分别示出了不加电压记忆环节和加电压记忆环节的波 形图。 逻辑 逻揖 给定 给定 时标0.1S 时标0.1S 图9不加电压记忆环节在阶跃 图10 加电压记忆环节，在阶跃 给定下速度电流波形 给定下速度和电沈波形图 81

三 可 控 硅 可 逆 直 流 电 机 调 速 系 统 的 试 验 结 果 我 们首 先 在三 相 零 式反 并 联 调速 系 统 上进 行 实验 井主 回 路 电压 为 伏 电 机 转速 转 分 用 微 型机 软 件 代替 了 速 度调 节 器 电 流 调 节器 及 无环 流 逻 辑切 换 环 节 图 示 出 了 在 阶 跃给 定 下 其速 度 和 电流 波 形 图 由 于生 产 中一 般 都 用三 相 桥 式反 并 联 的 调速 系 统 所 以 我们 又 在 三柑 桥 式 反 并联 系 统 上 进 行 了 各种 指 标 的试 验 以下 所 有 波形 图 均在 主 回 路 电压 伏 电机 转 速 叫 转 分 的 情 况 下 得 到 的 一缨一 一 竺 － 粼和 制 动过 程 中 的邃 滚 和 电 图 阶 跃 给定 下 速 度和 电流 波形 流 波 形 图 在 逻 辑无 环 流 控制 系 统 中为 了 消 除在 切 换 过程 中 的 电流 冲 击 一 般 都 把脚 切 换 过来 的 一 组 的 脉 冲位 置 推 到 日。 的 地 方 即 所 谓 无准 备 切 换 但 这 样尸 攀 笋 响快 速 性 为 此 我 们 采 用 有 准备 切 换 的逻 辑 无环 流 控 制 系统 即加 有 电 压记 忆 或 电势 跟 踪 环 节 我们 用 几 条指 令 即可 实 现 上 述要 求 图 和 图 分 别 示 出了 不 加 电压 记 忆环 节 和 加 电压 记 忆 环节 的 彼 形图 红 蠢巍赢 薰鑫撬巍巅 瘾墉 蘸 躁颧撇 彝 瓮 一鬃… 一 黝 … 图 不 加 电 压记 忆 环节 在 阶 袄 图 加 电 压 记忆 环 节 在 阶 灰 给 定 下 速度 电 流 波形 给 定 下 邃度 和 电 流波 形 图 吞弄 冲 ，一

…7 4 图11负戴扰动下，速度、电流波形 四、结论 本实验结果是在实验室中进行的，它证明了采用微型计算机进行实时控制代替SCR逻 辑无环流直流可逆调速系统中的模拟调节器(ST,LT)及逻辑切换运算器组成DDC最佳 调节系统是可行的，而且是可靠的，其静态及动态指标都达到了满意结果。 本系统若宋用16位微型机和12位以上的A/D,D/A转换器，精度将进一步提高。 今后我们还准备做以下几方面的工作： 1.用价廉的单板机代替Z-80微型机系统， 2.加电流自适应环节， 3,用光码盘进行数字反馈以进一步提高系统调速精度， 4.用软件代替触发移相装置， 5。设计监控保护，自诊断程序。 参考文献 1 〔1)电子数字计算机实时控制系统渠川路编著科学出版社1981年 〔2)用微型计算机控制电动机日本松井信行电气传动自动化译丛1981.2 〔3〕自动控制原理及设计上海科学技术出版社陆道政、季新宝 〔4)《IEEE-lAS13 th Annu Meet Toronto1978conf.Rec.》New York,N.Y.1978.669-675 82

田 负截扰动下 ， 速度 、 电流波形 四 、 结论 本实验结果是在实验室 中进行的 ， 它证 明了采用 微型计算机进 行实时控制代替 逻 辑无环 流直 流可逆调速系统 中的模拟调节器 ， 及逻 辑 切换运算器组成 最佳 调 节系统是可行 的 ， 而且是可靠 的 ， 其静态及 动态指标都达 到了满意结果 。 本系统若来用 位微型机和 位 以 上的 ， 转换器 ， 精度将进一步提高 。 今后我们还准备做以下几方面 的工作 用价康的单板机代替 一 微型机系统 ， 加 电流 自适应环节， 用 光码盘进行数字反馈以进一步提高系统 调速精度， 用 软件代替触发移相装置 ， 设计监控保护 ， 自诊断程序 。 〔 〕 参 考 文 献 电子数字计算机实时控制系统 渠川璐 编著 科学出版社 年 用 微型计算机控制电动机 日本松井信行 电气传动 自动化译丛 自动控 制原理及设计 上海科学技术出版社 陆道政 、 季新宝 《 一 ， 于 、、产声