1 引言
作者从事调速产品设计、研究工作多年，接触过不少国内、外的数字控制设备，常看到许多初学者和研究生设计的数控装置也能工作，但总与工业产品有一定距离，所以一直在想如何才能设计出符合工业要求的产品，有那些问题需要注意？本文根据某些国外产品的特点，谈几个认为在设计时应该注意的问题，供参考。讨论中仅介绍设计原则和注意事项，不涉及具体调速系统。
调速控制系统有两大类:模拟系统和数字系统。在模拟系统中，所有控制量的釆集，各功能块间的信息交换，以及它们的计算、控制和输出等功能的执行都是连续、并行进行的，故又称连续控制系统。数字系统的核心是处理器，由于一个处理器要完成大量工作，而在一定时间内又只能做一件事，所以这些工作必须分时、串行执行，把原本是连续的工作间断成每隔一定时间(周期)执行一次，故也称离散控制系统。另外在数字系统中原本连续的变量都被量化成间断的数字量，这是数字系统的另一特点。离散和量化特点给数字系统带来许多问题，本文将讨论下列几个问题;
- 变量的相对值;
- 离散和釆样;
- 连续变量的量化;
- 模拟量的量化;
- 脉冲频率信号的量化;
- 模块化软件设计;
- 数字pi调节器;
- 输入信号的平滑;
- 预控(开环前馈补偿)。
2 变量的相对值
- 变量的测量值是用仪表测量变量所得之值，单位是a、v、r/min等。许多教课书中的公式都使用测量值表达，因此人们在设计控制系统时也常用测量值，但工程上则多用相对值。
- 相对值(也称标幺值)是测量值与基值之比，无计量单位:
相对值=测量值/基值
- 式中基值通常定义为该变量的额定值，这时相对值代表的是测量值与其额定值之比。相对值一般以小写字母表示，例i、u、n等，但转矩仍用大写字母t表示，以和时间t区别。
- 采用相对值计算，有下则好处:
- 在设备运行时，人们更关心某变量距额定值有多远，而不是它的值是多少a或v等。
- 采用相对值计算可以去掉许多公式中的比例系数，不必关心变量的单位、电机的极对数、三相绕组接线方式等，从而简化计算，也不容易出错。例如采用相对值计算时，电机电势e和转矩t公式变为:
e=ωψ
t=itψ (1)
式中:ψ是磁链相对值，it是转矩电流相对值，ω是角速度相对值，电机的转速n和角速度ω的关系变为:
n=ω (2)
上二式中的比例常数都没有了。
在数字系统中采用相对值计算，更易实现合理量化(见第4节)。
基值的定义:
n直流量的基值定义为额定值。
n三相正弦交流电压、电流基值ub、ib的定义为相电压、电流峰值(若绕组d接，则为等效y接的相电压、电流峰值):
(3)
式中un、in是线电压、电流有效值。
n阻抗的基值:
(4)
电阻相对值等于电阻值与zb之比，电感相对值等于额定频率时的感抗值(ωbl)与zb之比。
n磁链基值ψb定义为额定空载励磁电流产生的磁链值，即电机以额定转速空载旋转，在定子绕组中感应出大小等于额定电压的电势所需之磁链值—空载额定磁链ψ0n。
注意:电机在额定工况(额定电压、额定转速、额定电流)工作时，由于存在阻抗压降，额定电势总是略低于额定电压，因此额定电势和额定磁链的相对值都略小于1。
3 离散和采样
在数字控制系统中把原本是连续的任务间断成每隔一定时间(周期)执行一次，称之为离散，由于每个周期开始时都先采集输入信号，这个周期又称为采样周期。
原本是连续变化的系统被离散后，每个周期只能在采样瞬间被测量和控制，其他时间不可控，这样必然给系统的控制精度和动态响应带来影响，合理选择采样周期是数字控制关键之一。采样周期的选择需考虑下列几件事:
(1) 采样周期与电力电子器件的开关周期同步
变流器中的电力电子器件(晶闸管、igbt等)都工作在开关状态，只有开通和关断时刻是可控的，其他时间不可控，数字控制器也是断续工作的，如果它发出控制信号的时间不合适，恰好在器件已完成开关动作之后，器件对控制的响应将推迟一个周期，带来附加滞后。为避免附加滞后，希望采样周期与器件工作周期同步，且在软件设计时把控制安排在输出触发脉冲之前。
(2) 固定周期采样和变周期采样
采样周期为固定值的均匀采样称固定周期采样，数字控制系统一般都用固定周期采样。但有些变流器的工作周期是变化的，例如常用的6脉波相控整流，稳态时工作周期固定为300hz，但在暂态，周期则是变化的，触发延迟角前移时周期缩短，后移时则加长。这样的系统若还采用固定周期采样，则无法实现同步，带来附加滞后，因此都改用变周期采样，用触发脉冲作为采样周期启动的信号，实现同步。
(3) 香农采样定理
采样周期t越长，处理器就能做更多的事，但对系统性能影响越大。采样周期的长短与系统响应的快慢有关，受香农采样定理的约束。采样定理告诉我们，要想采样信号能够不失真地恢复原来的连续信号，必须使采样频率f(f=1/t)大于系统频谱中最高频率的两倍。系统的动态性能可用开环对数幅频特性m(db)=f(ω)来表征。由于控制对象存在惯性，频率越高，m(db)越小，m≥-3db或-6db所对应的频率范围通常称之为频带宽，再高的频率对系统的影响可忽略。根据采样定理，采样频率应大于2倍最大频率，即
f≥ωmax/π (5)
式中，ωmax为m=-3db所对应的频率，在系统设计时实际的ωmax不知道，f 按预期的ωmax选取。对于一般工业用调速装置，转矩(或电流)内环的ωmax<1000，转速外环ωmax<200，某些伺服系统的频带还要再宽一些。
(4) 多采样周期
一个处理器要处理的变量很多，它们变化的快慢相差很大，如果按变化最快的变量来选取采样频率，将极大地浪费处理器的能力，所以通常为一个处理器规定几种采样周期，以适应变化快慢不同的任务，为实现方便，这些采样周期按2n分级选取，取(n=0，1，2，3…正整数)。最基本的周期是t0，处理器每隔t0接收一个启动信号，最快的任务选用t1=t0周期，它被优先执行;在t1任务执行完后，空余的时间里执行选用t2=2t0周期的任务;依此类推，在选用t1、t2周期任务执行完后，再执行选用t3=4t0周期的任务。为不耽误某些紧急任务(例如故障、警告等)的执行，处理器在接到中断信号后，马上中断正在进行的周期性任务，优先执行该中断任务。
4 连续变量的量化
系统中许多被控量都是连续变化的变量，例如电压、电流、转速等。在数字系统中，需要先将它们量化为不连续的数字量，才能进行计算和控制。连续量的量化也是数字控制与模拟控制的重要区别之一。量化时两个相邻数之间的信息被失去，影响系统精度。如何合理量化，使失去的信息最少，对精度影响最小，是数字控制系统设计的又一个关键问题。
在选定处理器和存储器硬件后，二进制数字量的位数就确定了，现在一般为16位或32位，以后可能64位。合理量化就是如何合理选择变量当量，即规定数字量“1”代表变量的什么值。当量的选取要考虑两个因素:
使系统中所有变量都有相同的精度，都能充分利用数字量位数资源。
尽量减少控制和计算中由当量选取带来的变换系数。
从上述原则出发，在通用的数字控制器中，当量宜按百分数(％)规定，百分数基值(分母)为该变量的额定值，例如额定电压、额定电流、额定转速等。为充分利用数字量位数资源，规定去掉一个符号位的数为200%(留100%调节裕量)，这样100%为“位数-2”对应的数。以16位数为例，100%对应214=16384，全部数的范围是±200%对应±215=±32768。如果某些变量超过额定值太多，例如恒功率调速倍数或电流过载倍数大，也可以规定100%为“位数-3”对应的数。
从第2节知，在系统计算中使用相对值时无计量单位，并可去掉许多公式中的比例系数。按上述方法规定当量，同时使用相对值，即把100％规定为相对值“1”，控制和计算中的变换系数最少，也不容易出错。有些设计者选取当量往往从方便记忆和换算出发，喜欢选较整的值作为当量，轻易规定“1”代表多少“v”、“a”或“r/min”，结果给控制和计算增添了许多变换系数，容易出错，还使数字量的位数资源得不到充分利用，所以用测量值定义当量不可取。
为适应上述量化要求，在控制器的每个模拟输入端都有信号变换环节(增益可调的放大器)，把从传感器来的最大信号都变换成标准电压(10v或5v)，再经a/d转换进入数字控制器。在软件设计时，针对每个输入变量都设置标定模块(可调系数乘法器)，把变量的额定值变换成100％。
5 模拟量的量化
把由传感器测得的连续变化的模拟量(例如电压、电流信号等)变换成数字量的量化方法有两类:瞬时值法和平均值法。
5.1 瞬时值法
每个采样周期采样模拟量一次，经a/d变换器(adc)，得到采样时刻的数字量。在调速系统中通常有多个模拟量需要采集和量化，可用一个由多路转换电子开关，采样保持器和变换器(adc)构成的模拟量采集系统实现。整个采集系统可做在一个集成芯片上，某些控制用处理器芯片本身就带有这类采集系统，使用起来很方便。
瞬时值采样方法简单，但只适用于模拟量比较平滑场合，如果模拟量信号中含有较大的纹波，所测瞬时值不能代表实际电压、电流的大小;若信号采集前先用滤波器滤去纹波，将带来滞后，并导致交流量相移。
本文关键字：数字控制 设计参考，变频技术 - 设计参考
