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。
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: