基于硬件在環(huán)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)

張恩靜,盧書君,王 順,張書榮,周 力,周 龍,賴 康,董丁溧

(中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司,貴陽 550000)

0 引 言

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)(limited angle torque motor, LATM)是一種常見的電機(jī)類型,它無需添加其他機(jī)械設(shè)備即可繞特定角度旋轉(zhuǎn)或運動[1-2]。有限轉(zhuǎn)角電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩密度大、操作簡單可靠等優(yōu)點[3-5],其在各種工業(yè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用[6-10]。因此,針對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義。

目前,由于使用領(lǐng)域的要求提高,對于有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的特性需求特殊且有針對性,故有限轉(zhuǎn)角電機(jī)的設(shè)計、優(yōu)化相較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)有較大出入[11]。專用性的設(shè)計與優(yōu)化對控制器的設(shè)計也提出了更高的要求。

以往項目中開發(fā)的控制器不能滿足產(chǎn)品高質(zhì)量高可靠性的需求,在日益激烈的市場中不占優(yōu)勢?；谀Ｐ偷拈_發(fā)(Model-Based Development, MBD),亦稱為“V”模式[12],是一種針對控制系統(tǒng)的高效開發(fā)工作方式。以往的開發(fā)方法具有反復(fù)、包容性差等許多缺點,而MBD開發(fā)方法避免了這些缺點,是目前各行業(yè)常用的開發(fā)方法。它為工程師提供了通用性的平臺用于開發(fā)和測試,開發(fā)環(huán)節(jié)可同步進(jìn)行,不同專業(yè)方向的工程師們可以通過該平臺建立一定的聯(lián)系,促進(jìn)更復(fù)雜、集成度更高的系統(tǒng)開發(fā)。

本文開發(fā)了基于硬件在環(huán)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺,通過對電機(jī)建模和控制器設(shè)計,實現(xiàn)對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的精確控制。首先,對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)進(jìn)行建模,并設(shè)計雙閉環(huán)反饋PID控制器進(jìn)行控制;隨后,詳細(xì)介紹了實時仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置,包括實時仿真上位機(jī)、仿真機(jī)箱、處理器板卡和電機(jī)控制板卡等;最后,實驗表明,設(shè)計的控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)特性,驗證了仿真平臺的有效性和可行性。

1 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)建模

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的簡化物理模型如圖1所示,有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的勵磁電流If固定,在勵磁線圈產(chǎn)生固定磁通,勵磁電流If與電樞電流Ia相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Tm。通過控制電樞電壓Ua,可以控制電樞電流Ia的變化,進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩Tm和轉(zhuǎn)速。

電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型可描述:

Tm=CmIa

(1)

式中:Tm為電磁轉(zhuǎn)矩;Cm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù);Ia為電樞電流。

反電動勢Eb與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比:

(2)

式中:Cb是反電動勢系數(shù);θm為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。

根據(jù)基爾霍夫電流定律,電樞繞組回路的電壓方程:

(3)

式中:Ua為電機(jī)的電樞電壓,La為電樞回路電感。

根據(jù)牛頓第二定律:

(4)

式中:Jm是電動機(jī)和負(fù)載折合到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量,TL為負(fù)載力矩Tf為摩擦力矩。摩擦力矩Tf=fm·ω,fm是電動機(jī)和負(fù)載折合到電動機(jī)軸上的粘性摩擦系數(shù)。

基于上述分析,搭建有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的Simulink模型如圖2所示。

圖2 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的Simulink模型

2 電機(jī)控制器模型設(shè)計

本文采用雙閉環(huán)PID控制器的結(jié)構(gòu)對電機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計。指令位置與有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)位置反饋的差值作為位置環(huán)輸入,而位置環(huán)的輸出與前饋增益和速度反饋的差值作為速度環(huán)的輸入[13]。通過PID控制算法進(jìn)行控制器參數(shù)調(diào)試,對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的階躍響應(yīng)進(jìn)行了實際測試并進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試[14]?；陔p閉環(huán)反饋PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。指令位置與有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的位置反饋的差值作為位置環(huán)輸入,而位置環(huán)的輸出與前饋增益和速度反饋的差值作為速度環(huán)的輸入。類似文獻(xiàn)[15]中的設(shè)計,速度環(huán)的輸出與速度反饋的差值經(jīng)過速度環(huán) PID 調(diào)節(jié)輸出平均電壓。雙閉環(huán)控制器的輸出續(xù)接PWM模塊,轉(zhuǎn)化為PWM波形并經(jīng)過H橋模塊來控制調(diào)節(jié)電機(jī)。

圖3 控制系統(tǒng)中雙閉環(huán)PID控制器結(jié)構(gòu)

PID控制算法的基本表達(dá)式:

(5)

式中:u(t)表示控制器所計算輸出的控制量;e(t)表示反饋誤差;kp表示比例增益;ki表示積分增益;kd表示微分增益。為了克服微分對輸入信號噪聲敏感的缺陷,采用常用的一階濾波器。

由于實際控制系統(tǒng)對控制量都有限幅要求,在PID控制器設(shè)計時,這一要求也要被考慮到。另外,滿足限幅要求的同時,可以設(shè)計抗積分飽和環(huán)節(jié),加快積分環(huán)節(jié)的響應(yīng),降低超調(diào)。常用的帶限幅的抗積分飽和PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示,抗積分飽邏輯的輸入分別為誤差信號e(t)、限幅環(huán)節(jié)輸入信號u′(t)和限幅環(huán)節(jié)輸出信號u(t),輸出為積分環(huán)節(jié)的使能信號,在控制量到達(dá)限幅值后停止積分。常用的抗積分飽和邏輯如圖5所示。

圖4 帶限幅和抗積分飽和的PID控制器

圖5 抗積分飽和邏輯

綜合上述分析,搭建位置轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)PID控制器的Simulink模型,如圖6所示。其中PID模塊內(nèi)部模型如圖7所示。PID控制器中,微分部分串聯(lián)一階低通濾波器,積分部分通過Anti-Windup模塊實現(xiàn)積分抗飽和功能。

圖6 PID雙閉環(huán)控制器Simulink模型

圖7 PID控制器Simulink模型

3 控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計

控制器硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)的硬件資源通過實時仿真機(jī)提供。控制器模型通過以太網(wǎng)線,從實時仿真上位機(jī)下載到處理器板卡運行。電機(jī)控制板卡通過自身ADC資源,采集信號適配模塊處理后的模擬電壓(由霍爾傳感器輸出),并通過實時仿真機(jī)內(nèi)部總線將電壓值傳遞給處理器板卡中的控制器模型?？刂破鬏敵龅腜WM配置變量也通過內(nèi)部總線傳遞給電機(jī)控制板卡,進(jìn)而生成真實的PWM信號,經(jīng)信號適配模塊傳輸給電機(jī)驅(qū)動器,繼而驅(qū)動有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動器由開關(guān)電源單獨供電。實時仿真上位機(jī)還具有對控制器模型中的變量進(jìn)行實時監(jiān)控以及在線調(diào)參的功能。

圖8 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

3.1 仿真系統(tǒng)硬件配置

3.1.1 實時仿真上位機(jī)

上位機(jī)采用Windows7系統(tǒng),用于實現(xiàn)控制算法模型與被控對象模型的搭建,運行Simulink數(shù)學(xué)模型,并且安裝上位機(jī)軟件用于搭建人機(jī)交互界面、控制仿真過程的啟停。系統(tǒng)配置顯示器,仿真監(jiān)控上位機(jī)選擇Dell的T5820工作站,技術(shù)指標(biāo)如下:

1)CPU: I9-12900k;

2)內(nèi)存:64 G;

3)硬盤:1 T(固態(tài))+4 T(機(jī)械);

4)顯卡:英偉達(dá)3090 Ti,24 G。

3.1.2 仿真機(jī)箱

仿真機(jī)箱是實時仿真機(jī)中的一部分,用于實現(xiàn)處理器板卡以及各種IO板卡及電機(jī)控制板卡、電機(jī)仿真板卡的硬件集成環(huán)境。實時仿真機(jī)配備X86架構(gòu)處理器板卡,運行實時操作系統(tǒng),實時仿真采用上下位機(jī)架構(gòu)。上位機(jī)運行Windows操作系統(tǒng),下位機(jī)(即實時仿真機(jī))運行實時操作系統(tǒng),仿真機(jī)箱選擇PXIE-1084,其主要技術(shù)參數(shù)如下:

1)18槽PXIe總線機(jī)箱,總槽數(shù)含1個主控制器插槽;

2)兼容NI PXIe處理器;

3)4 GB/s總線速度;

4)具備板卡拓展安裝槽;

5)具備以太網(wǎng)通訊接口;

6)支持17個3U PXIe、PXI或CompactPCI混合插槽,含AC電源。

3.1.3 處理器板卡

處理器板卡插裝在仿真機(jī)箱中,內(nèi)部安裝實時仿真軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)模型的實時解算,配置的處理器板卡其內(nèi)存、性能能夠保證模型解算運行周期不大于100 μs,處理器板卡選擇PXIE-8840,主要技術(shù)參數(shù)如下:

1)Intel Core i7-5700EQ四核處理器,4 GB內(nèi)存;

2)2個10/100/1 000 Mbit/s以太網(wǎng);

3)適用于PXIe、PXI和CompactPCI系統(tǒng);

4)最大控制器帶寬:2 GHz;

5)主處理器板占用1個槽位,需要HiGaleTarget軟件包支持。

3.1.4 電機(jī)控制板卡

電機(jī)控制板卡插裝在仿真機(jī)箱中,選擇恒潤科技的HR-CPCI-5111,電機(jī)控制板卡用于電子控制器模型對模型的測試工況下,結(jié)合控制算法實現(xiàn)控制器的模擬,通過電機(jī)控制板卡能夠發(fā)送控制驅(qū)動器功率放大的PWM信號給電機(jī)仿真卡。電機(jī)控制板卡是一塊多功能板卡,除了具有常用的AD、DA、DIO接口外還具有PWM發(fā)送通道、霍爾采集通道等。

該板卡主要技術(shù)參數(shù)如下:

1) 3U CompactPCI規(guī)格;

2) 2路單向PWM輸出;

3) 1組旋變解算通道;

4) 1組增量解碼通道、1組霍爾解碼通道;

5) 1組三相差分PWM波輸出(可單端控制);

6) 8路差分模擬輸入、4路差分模擬輸出;

7) 2路差分?jǐn)?shù)字輸入、8路差分?jǐn)?shù)字輸出。

3.2 基于實時仿真系統(tǒng)的軟件平臺

實時仿真系統(tǒng)選用HiGale實時仿真系統(tǒng)。圖9是HiGale系統(tǒng)組成示意圖。HiGale實時仿真系統(tǒng)采用上下位機(jī)架構(gòu),上位機(jī)運行Windows操作系統(tǒng);下位機(jī)運行實時仿真系統(tǒng)(QNX系統(tǒng))。HiGale實時仿真系統(tǒng)軟件與MATLAB/Simulink無縫集成,一同為仿真提供了完整的軟件工具鏈。利用MATLAB/Simulink完成數(shù)學(xué)模型搭建后,可以結(jié)合板卡驅(qū)動庫RTDB在Simulink中對控制器模塊添加板卡驅(qū)動部分,使用HiGale Target生成目標(biāo)代碼和模型參數(shù)文件,然后,使用HiGale View將模型下載至下位機(jī)中(實時仿真機(jī)),并進(jìn)行仿真過程控制。HiGale還支持利用Real Time Workshop實時代碼生成工具箱將控制器模型生成C代碼。

圖9 HiGale系統(tǒng)組成示意圖

基于HiGale系統(tǒng)的功能,對控制器Simulink模型添加板卡驅(qū)動部分,如圖10所示。

圖10 控制器與板卡驅(qū)動Simulink模型

通過仿真監(jiān)控管理軟件HiGale View將模型下載到實時仿真機(jī),并且搭建實時模型代碼監(jiān)控窗口,實現(xiàn)模型啟動過程中信息的監(jiān)控,采集和控制模型參數(shù)在線調(diào)整。基于HiGale View的實時仿真上位機(jī)界面如圖11所示。

圖11 基于HiGale View的實時仿真上位機(jī)界面

4 實驗結(jié)果分析

實驗硬件平臺如圖12所示。采用硬件在環(huán)仿真平臺作為控制系統(tǒng),通過直流電機(jī)驅(qū)動電路控制真實的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)。有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)空載額定電壓24 V,PWM工作頻率20 kHz,工作行程±20°。控制器的仿真步長為5 μs。仿真過程中的輸入輸出信號和中間變量通過圖14所示的HiGale View上位機(jī)軟件進(jìn)行監(jiān)控或調(diào)參。

圖12 仿真實驗硬件平臺

首先調(diào)試輸入輸出信號,然后對控制器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試,通過整定PID參數(shù),得到有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的階躍響應(yīng)曲線如圖13所示。由圖13可知,階躍響應(yīng)的響應(yīng)時間小于1 s,超調(diào)量小于1%,該控制具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性。

圖13 正轉(zhuǎn)滿量程位置階躍響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語

本文開發(fā)了一款基于硬件在環(huán)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺,以對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)進(jìn)行精確控制。搭建了硬件在環(huán)的控制系統(tǒng)仿真平臺,包括對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的建模和雙閉環(huán)反饋PID控制器的設(shè)計,以及實時仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置。另外,設(shè)計并開展了基于硬件在環(huán)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制實驗。結(jié)果表明,所設(shè)計的控制系統(tǒng)展現(xiàn)出較好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)響應(yīng)特性,具有較高的控制精度和可靠性。

同時,本研究仍存在改進(jìn)的空間,例如,進(jìn)一步優(yōu)化控制器參數(shù)、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力等都是未來工作的方向。此外,還可以考慮擴(kuò)展實驗的范圍,從更多的角度來評估硬件在環(huán)仿真平臺的有效性和可行性。綜合考慮,本研究為有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真平臺開發(fā)提供了一個新的思路和方法,并在實際應(yīng)用中取得了一定的成果。需要進(jìn)一步研究和實驗來完善該仿真平臺的功能和性能,以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。