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[導讀]針對電渦流測功機的扭矩加載實驗問題,開發(fā)了一種基于ARM的嵌入式控制器。選取TM4C微控制器為CPU,以功率 MOSFET為功率驅動器件,利用PI算法,采用RTX實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對電渦流測功機扭矩加載的閉環(huán)控制,并結合電渦流測功機進行了扭矩加載實驗。實驗結果表明:該控制器具有加載性能好、結構簡單及可靠性高等優(yōu)點,具有較高的工程應用價值。

摘要:針對電渦流測功機的扭矩加載實驗問題,開發(fā)了一種基于ARM的嵌入式控制器。選取TM4C微控制器為CPU,以功率 MOSFET為功率驅動器件,利用PI算法,采用RTX實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對電渦流測功機扭矩加載的閉環(huán)控制,并結合電渦流測功機進行了扭矩加載實驗。實驗結果表明:該控制器具有加載性能好、結構簡單及可靠性高等優(yōu)點,具有較高的工程應用價值。

引言

電渦流測功機主要用于測試發(fā)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(wěn)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(yōu)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(fā)動機及其測控行業(yè)的發(fā)展。

近年來,ARM內核微控制器發(fā)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?guī)в兴绤^(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的硬件抽象層(HAL),形成與Windows操作系統(tǒng)并列的實時子系統(tǒng),將原有系統(tǒng)的線程間切換時間消耗縮短到幾μs??紤]到扭矩加載系統(tǒng)任務的復雜性,傳統(tǒng)的單任務循環(huán)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(tǒng)RTX實現(xiàn)扭矩加載控制,簡化了系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)采用的是蘭菱機電(海安)有限公司的DW16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(wěn)定性好、動態(tài)響應快等優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)對電渦流測功機的輸出扭矩的閉環(huán)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(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器硬件總體結構

現(xiàn)有的加載系統(tǒng)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(tǒng)通信延遲高達140 ms。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(tǒng)的可靠運行,不能滿足工業(yè)自動化控制不斷發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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??刂破鞯? ARM核心板即為TM4C的最小系統(tǒng),其外設都以插座的形式預留給底板。底板電路由扭矩監(jiān)測模塊、電流驅動模塊、轉速監(jiān)測模塊及TTL轉RS232串口模塊等部分組成。

2.2 電流驅動模塊設計

電流驅動電路如圖3所示??紤]到系統(tǒng)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TX—KA962F驅動器為核心,設計了驅動保護電路的方案。相比于傳統(tǒng)的大功率IGBT驅動芯片,TX—KA962F驅動器可由24 V單一電源供電,最高開關頻率可達60 KHz,也可根據需要調節(jié)盲區(qū)時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間。一旦出現(xiàn)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(tǒng)的穩(wěn)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(jiān)測是很有必要的。電流監(jiān)測模塊如圖4所示,采用霍爾電流傳感器ACS712,實現(xiàn)了對驅動電流的高精度采集。

本系統(tǒng)采用的DW16型電渦流測功機,其額定電流為5 A。為保證系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)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(jiān)測模塊如圖5所示。

2.3 轉速監(jiān)測模塊設計

在扭矩加載試驗系統(tǒng)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(jiān)測電路利用高速光耦TLP521實現(xiàn)信號的調理功能。

2.4 扭矩監(jiān)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(tǒng)軟件設計

軟件開發(fā)采用Keil軟件的集成開發(fā)環(huán)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(yōu)先級后,RTX對這些任務進行調度和管理。本程序設置系統(tǒng)時鐘節(jié)拍為50 Hz,共分為3個任務(task1、task2、task3),優(yōu)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(xiàn)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(jié)拍進入就緒態(tài),即20 ms執(zhí)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(jié)拍進入就緒態(tài),即相當于40 ms執(zhí)行一次;task3為串口發(fā)送任務,其延時3個節(jié)拍進入就緒態(tài),即相當于60 ms執(zhí)行一次。具體工作流程如圖6所示。

控制算法是控制系統(tǒng)的核心,直接決定了控制系統(tǒng)的控制精度與性能??紤]到扭矩軸旋轉時存在不可消除的振動,經測試發(fā)現(xiàn)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(fā)送的數據時需要對數據進行驗證,具體接收通信協(xié)議如下所示:

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(wěn)態(tài)抗擾動能力與動態(tài)響應速度之間的矛盾,為了提高系統(tǒng)的調節(jié)速度,同時保證系統(tǒng)的超調、靜態(tài)調節(jié)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16 kW,最大轉速為13 000 r/min,額定電流為0~5 A。原扭矩加載系統(tǒng)的閉環(huán)響應曲線如圖7所示。由圖可知,原系統(tǒng)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(tǒng)計,可以得出如下的性能指標:系統(tǒng)扭矩閉環(huán)控制精度優(yōu)于2%,階躍響應穩(wěn)定時間小于2 s,過渡比較平穩(wěn),到穩(wěn)態(tài)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(tài)性能和控制精度,符合系統(tǒng)設計的要求。

結語

綜合考慮系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能、硬件的工作環(huán)境的基礎上,完成了基于RTX實時操作系統(tǒng)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(tǒng)的實時性問題、電磁兼容問題,提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗表明,該扭矩加載控制器能較好地解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的通信延遲問題,且具備很好的動、靜態(tài)性能。

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