RTX和TM4C微控制器的扭矩加載控制器設計

田彥云，黃向華

（南京航空航天大學 江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京210016）

田彥云（碩士研究生），主要從事航空發動機控制系統設計與仿真；黃向華（教授），研究方向為航空動力裝置計算機測控系統等。

引 言

電渦流測功機主要用于測試發動機的功率，也可作為齒輪箱、減速機、變速箱的加載設備，用于測試它們的傳遞功率。扭矩加載控制器的穩定性及測量的準確性將直接影響工程人員對結果的分析判斷。研制出控制品質優良的扭矩加載控制器，將提升國產測功機的技術水平，并促進發動機及其測控行業的發展。

近年來，ARM 內核微控制器發展迅速，其性能高、耗電少、成本低，具備16／32位雙指令集。本文選擇TI公司的TM4C系列芯片，其擁有Cortex－M4內核，具備多個高精度定時器，可以輸出多路互補且帶有死區時間控制的PWM 波形，滿足電渦流測功機的控制需求。

對于扭矩加載系統來說，除了要求有強大的通用功能外，還需要其具有良好的實時性能，以滿足控制系統實時采樣和實時通信的要求。在眾多實時軟件中，Windows實時擴展平臺RTX 是其中較為突出的一種。RTX 修改并擴展了Windows系統的硬件抽象層（HAL），形成與Windows操作系統并列的實時子系統，將原有系統的線程間切換時間消耗縮短到幾μs。考慮到扭矩加載系統任務的復雜性，傳統的單任務循環式的程序控制模式難以滿足需求，本文采用嵌入式操作系統RTX實現扭矩加載控制，簡化了系統設計。

1 系統總體方案設計

本系統采用的是蘭菱機電（海安）有限公司的DW－16型電渦流測功機，其具有結構簡單、轉動慣量小、制動力矩大、運行速度高、穩定性好、動態響應快等優點。DW 系列盤式電渦流測功機，主要用來測量動力機械的特性，尤其是中小功率和微小功率的動力加載測試，同時其也可作為其他動力設備的吸功裝置。

扭矩加載控制器系統原理框圖如圖1所示。扭矩加載控制器根據上位機給定的扭矩指令，與實時采集的扭矩傳感器信號作對比，通過PI控制產生相應的PWM 信號，輸入到電流驅動模塊，從而實現對電渦流測功機的輸出扭矩的閉環控制。變頻器通過接收上位機給定的轉速指令，控制伺服電機的旋轉，從而控制電渦流測功機的轉速。除此之外，扭矩加載控制器還具備轉速檢測與電流檢測模塊，保證了系統運行的穩定性。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 控制器硬件總體結構

現有的加載系統使用PLC與上位機進行通信，這是一個間接的通信過程，必須通過OPC服務器進行中轉，使得系統通信延遲高達140ms。其在實時性、可擴展性和智能化等方面存在局限性，難以保證系統的可靠運行，不能滿足工業自動化控制不斷發展的要求。

控制器硬件總體結構圖如圖2所示。為了提高系統的開放性，扭矩加載控制器硬件電路采用核心板加底板架構。由于扭矩加載系統的實時性要求較高，因此必須選擇運算速度快且可靠性高的處理器。TM4C具備強大的數據處理能力和高運行速度，滿足定時和通信要求，因此幾乎承擔了整個控制器全部的邏輯控制。控制器的ARM 核心板即為TM4C的最小系統，其外設都以插座的形式預留給底板。底板電路由扭矩監測模塊、電流驅動模塊、轉速監測模塊及TTL 轉RS232 串口模塊等部分組成。

圖2 控制器硬件總體結構圖

2.2 電流驅動模塊設計

電流驅動電路如圖3所示。考慮到系統的高頻率及大電流的工作要求，扭矩加載控制器采用IR 公司的IRFP460功率MOSFET 芯片作為直流斬波器件，以TXKA962F驅動器為核心，設計了驅動保護電路的方案。相比于傳統的大功率IGBT 驅動芯片，TX－KA962F 驅動器可由24V 單一電源供電，最高開關頻率可達60KHz，也可根據需要調節盲區時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間。一旦出現短路信號，驅動器將軟關斷IGBT，封鎖輸入信號，提高了整個系統的穩定性與安全性。

雖然一定的PWM 信號占空比對應一定的測功機負載，但由于PWM 控制信號的占空比與測功機負載并不成比例，因此對驅動電流大小進行監測是很有必要的。電流監測模塊如圖4所示，采用霍爾電流傳感器ACS712，實現了對驅動電流的高精度采集。

圖3 電流驅動電路

圖4 電流監測模塊

本系統采用的DW16型電渦流測功機，其額定電流為5A。為保證系統的安全性與穩定性，需針對電路進行過流保護。當TX－KA962F 驅動芯片14腳對12腳端的電壓大于所設定的保護閾值電壓時（即驅動電流大于測功機額定電流時），芯片內部將進行軟關斷，7腳輸出低電平報警信號，通過光耦將調理后的信號傳送給控制電路。故障信號監測模塊如圖5所示。

圖5 故障信號監測模塊

2.3 轉速監測模塊設計

在扭矩加載試驗系統中，轉速和扭矩是最關鍵的兩個參數，其測量精度極大地影響著最終的控制效果。轉速測量采用歐姆龍公司的EE－SX672型傳感器，接收的脈沖信號頻率在數值上與原動機的轉速相同。轉速監測電路利用高速光耦TLP521實現信號的調理功能。

2.4 扭矩監測模塊設計

電渦流測功機擺動部分通過測力臂架把偏轉力作用在TJL－1S型拉力傳感器上，由它轉換成與扭矩大小成正比的電壓信號，經過AD623 電壓信號進行放大，傳送給TM4C的A／D 輸入通道進行采集與處理。

3 系統軟件設計

軟件開發采用Keil軟件的集成開發環境。基于RTX的程序設計是將一個大的應用程序分成多個相對獨立的任務來完成。定義好每個任務的優先級后，RTX 對這些任務進行調度和管理。本程序設置系統時鐘節拍為50Hz，共分為3個任務（task1、task2、task3），優先級分別為127、120、110，通過使用函數os＿sys＿init（）、os＿tsk＿pass（）、os＿dly＿wait（）來實現各個任務之間的切換。

task1為扭矩控制任務，主要負責PI控制及檢測故障信號，一旦檢測到低電平故障信號，則輸出占空比為0的PWM 控制信號，其延時1個節拍進入就緒態，即20ms執行一次；task2負責串口接收并解析上位機數據，并對轉速、扭矩和電流信號進行測量，其延時2個節拍進入就緒態，即相當于40ms執行一次；task3為串口發送任務，其延時3個節拍進入就緒態，即相當于60ms執行一次。具體工作流程如圖6所示。

控制算法是控制系統的核心，直接決定了控制系統的控制精度與性能。考慮到扭矩軸旋轉時存在不可消除的振動，經測試發現只需采用比例和積分控制就可以達到較好的效果，因此最終采用了增量式PI控制算法。同時，為了避免扭矩測量噪聲的影響，軟件中對反饋信號加了慣性濾波。

扭矩加載控制器在接收上位機發送的數據時需要對數據進行驗證，具體接收通信協議如下所示：

圖6 RTX中軟件工作流程圖

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由于控制參數往往需要根據經驗反復整定，而且起初并不能確定其量級大小，為了快速方便地進行控制參數整定，此處串口數據采取浮點數格式傳輸，相對于用整型數傳輸沒有精度損失。

4 實驗結果和分析

一般的反饋控制都存在穩態抗擾動能力與動態響應速度之間的矛盾，為了提高系統的調節速度，同時保證系統的超調、靜態調節精度與抗擾動都在允許的范圍內，需通過大量實驗進行PI參數整定。

實驗采用的電渦流傳感器功率為16kW，最大轉速為13 000r／min，額定電流為0～5A。原扭矩加載系統的閉環響應曲線如圖7所示。由圖可知，原系統存在的通信延遲和控制參數選擇不恰當等原因，導致其控制精度較低，不符合工程應用的要求。

在本控制器作用下，實驗結果曲線如圖8所示。對數據段中所存的數據進行統計，可以得出如下的性能指標：系統扭矩閉環控制精度優于2%，階躍響應穩定時間小于2s，過渡比較平穩，到穩態時超調量較小。響應曲線存在波動是因為電機旋轉使得設備臺面不可避免地有振動，影響了傳感器的精度。由實驗結果的分析可知，該扭矩加載控制器具有良好的動態性能和控制精度，符合系統設計的要求。

圖7 原加載系統扭矩響應曲線

圖8 扭矩加載控制器的扭矩響應曲線

結 語

綜合考慮系統所需實現的功能、硬件的工作環境的基礎上，完成了基于RTX 實時操作系統和基于ARM 的以TX－KA962F驅動器為核心的扭矩加載控制器。設計中充分考慮系統的實時性問題、電磁兼容問題，提高了系統的可靠性。實驗表明，該扭矩加載控制器能較好地解決現有系統中存在的通信延遲問題，且具備很好的動、靜態性能。

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