微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件
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作者: 任海燕
摘 要： 以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）。其硬件电路的标准化程度高，制作成本低，不受器件温度漂移的影响，其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。
关键词： 微机数字控制 直流调速 PWM调速系统
1.引言
微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应：（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。（2）D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。
随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。
2.微机数字控制系统硬件组成
2.1数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种。
2.1.1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。
2.1.2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组成。
2.1.3计算机控制系统在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能，即为计算机控制系统。系统的特点：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。
2.2微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构。
系统由以下部分组成：主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路。
2.2.1主回路――微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的UPE有两种方式：直流PWM功率变换器；晶闸管可控整流器。
2.2.2检测回路――检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，其中：电压、电流和温度检测由A/D转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速。
2.2.2.1电流和电压检测――电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外，还是各种保护和故障诊断信息的来源。电流、电压信号也存在幅值和极性的问题，需经过一定的处理后，经A/D转换送入微机，其处理方法与转速相同。
2.2.2.2转速检测有模拟和数字两种检测方法。
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，并且包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经A/D转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原码或补码，然后进行闭环控制。
（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。
利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。
2.2.3控制电路――数字控制器，数字控制器是系统的核心，可选用单片微机或数字信号处理器（DSP）比如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列等专为电机控制设计的微处理器，本身都带有A/D转换器、通用I/O和通信接口，还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和PWM生成功能，可大大简化数字控制系统的硬件电路。
2.2.4系统给定――系统给定有两种方式。
2.2.4.1模拟给定：模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算。
2.2.4.2数字给定：数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定、键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。
2.2.5键盘与显示电路。
微机数字控制器的控制对象是功率变换器，可以用开关量直接控制功率器件的通断，也可以用经D/A转换得到的模拟量去控制功率变换器。随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功率变换器的输出电压。
3.微机数字控制系统软件组成
微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有：主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。
3.1主程序――完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。
3.2初始化子程序――完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。
3.3中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断。
直流调速系统的基本规律和设计方法，所有的调节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习，但大量计算太过繁琐。微机数字控制系统应用相应软件来实现算法非常方便。
4.结语
传统直流调速控制方法主要体现在硬件电路和所用的器件上，因线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。微机数字控制系统直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、智能化和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。
参考文献：
［1］宋家成.直流调速系统应用与维修.中国电力出版社，2008.
［2］夏德黔.自动控制理论.北京机械工业出版社，1990.
［3］章兼源.微机控制技术.北京电子工业出版社，2003.
［4］陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京机械工业出版社，1992.
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