（电力电子与电力传动专业论文）弹用电动加载控制系统研究.pdf

两北工业大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fam i s s i l ee l e c t r i cl o a ds y s t e mi sd i s c u s s e di n t h i st h e s i s ，w h o s ec o r ei sb & r2 0 0 3p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e ra n da b b a c s 6 0 0d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，c o n t r o l l i n gt w oa s y n c h r o n o u sm o t o r s ，f o r m i n ga h i g hp e r f o r m a n c es e r v os y s t e m ，n a m e l yl o a ds i m u l a t o r ak i n do f l o a dl i k er e a l a i r s t r e a mi sp r o d u c e db yl o a ds i m u l a t o ri ne x p e r i m e n t ，w h i c hi sp u to nm i s s i l e s w i n g s t om a k et h e mw o r ko nt h es a m ef o r c es i t u a t i o na si nt h er e a l s p r e a d p r o c e s s a tf i r s t ，t h es y s t e m sp r o j e c td e s i g ni si n t r o d u c e da n dt h e nt h ep l u st o r q u e s p r o d u c ea n dr e s t r a i ni n l o a ds y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i lb a s eo nt h ee m p h a s e s r e s e a r c hi nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y t h es o f ts i m u l a t i o nr e s u l to ft h es y s t e m o f t e r sr e f e r e n c ef o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n t h ed e s c r i p t i o ni nd e t a i lo fl o a dc o n t r o ls y s t e m sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti s d i v i d e di n t os o f t w a r es y s t e ma n dh a r d w a r es y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep c c w eu s e di s a n a l y s e d i nt h eh a r d w a r es y s t e mp a r t ，t h ea p p l i c a t i o no fr e a lt i m e m u l t i t a s k s y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o nm e t h o di nt h e s y s t e m h a sad e t a i l e d p r e s e n t a t i o ni nt h es o f t w a r es y s t e mp a r t m e t h o d s t oi m p r o v es y s t e m sr e l i a b i l i t y a r em e n t i o n e da l s o k e y w o r d s ： l o a ds y s t e m d i r e c tt o r q u ec o n t r o l p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r p l u st o r q u e 西：i l i 业大学硕士论文绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本论文是为航天某研究所研制的弹用加载试验平台。 1 1 1 目的 弹上的尾翼、弹翼在展开的过程中受到风阻等各种力，而且受力的过程 随攻角、展开角度等变化。在实验中应用负载模拟器产生一种类似真实气流 阻力的载荷，施加于弹翼( 尾翼) ，使其能在与展开过程中受力相同的状态下工 作。本项目就是研制这样一个加载系统，用以模拟各种攻角情况下的负载， 施加力矩到轴上。控制系统工作主要考虑如何为陔加载系统设计一种简单实 用的控制方法，使系统满足根据展丌角度，对不同的施加阻力矩的跟踪。 1 1 2 主要技术指标要求 弹翼f 尾翼) 加载技术指标要求满足在不同攻角下的加载曲线，并满足要求 精度。其主要技术指标为： 1 1 2 1 弹翼加载技术指标 ( 1 ) 转角范围：o 9 0 。 ( 2 ) 时阳j ：0 6 1 秒 ( 3 ) 加载为两片弹翼同时受力，每片弹翼受力与展丌角、攻角的关系曲 线如图卜l 所示： 两北t 业大学硕f 。论文绪论 一一 毛 。一 j 。 0 0 3 0 一0 口5 0 。印w 90。7 三 ( 其中不同曲线代表不同攻角时的展角一力矩曲线图) 图卜1 展角一力矩曲线图 1 1 2 2 尾翼加载技术指标 ( 1 ) 转角范围：o 1 2 6 。 ( 2 ) 时间：0 0 5 o 1 5 秒 ( 3 ) 加载力矩与转角、载荷谱的关系曲线如图卜2 所示： 西北工业大学硕士论文 绪论 mjl l o o n m 八 3 0 ，6 0 9 01 2 0 7 l o o n m沁 载荷谱1 m jl 1 0 0 n m 5 0 n m o 3 06 09 01 2 0 j e 磐；盐o 图卜2载荷谱曲线 e 两北丁业大学钡 ：论史绪论 1 2 国内加载技术的现状 加载系统是典型的被动式力控制系统，也是一种相当复杂的伺服系统， 在这种控制系统中，由于被加载对象运动干扰引起的多余力和参数变化的影 向，使得系统输出呈现出大的误差和很差的鲁棒性，严重地影响了加载系统 地控制性能和加载精度。因此，如何抑制多余力，是设计加载系统中的关键 问题。 目前，多余力的抑制一是从硬件结构上进行改进。它具有性能稳定、可 靠性好等优点，但加工和安装精度是其主要障碍。二是从软件上进行改进。 它具有耗资小、设计调试灵活的特点，因而广受研究设计者青睐。但是这种 方法不能完全消除多余力。 综上所述，目前对于抑制多余力的研究，理论上还没有形成统一的体系， 实际效果还不同程度地存在许多缺陷。所以，对加载系统多余力的研究进行 深入理论分析还是非常有必要的。 国内现有资料表明，这种负载较大的加载系统通常采用液压加载的方式， 而我们采用的电动加载，现在还没有见到相关资料介绍，系统的研究基本上 无经验可循。更何况，试验的快速性要求非常严格，试验时间不到一秒，这 是系统设计的另外一个难点。 1 3 本文所做工作 对弹用加载系统原理进行研究，设计详细的系统方案 寻求合适抑制多余力的控制策略，进行算法设计 配置系统控制器硬件，实现实对多任务系统 完成友好的上位机软件，以进行安全有效的试验和准确的数据处理 实现工控机和控制器的通讯 4 两北丁业人学颂j j 论文系统方案 2 1 工作原理 第二章系统方案 系统接收启动信号( 由控制柜上按键给出，同时同步装置将信号传送给控制 器) 后，使伺服驱动器给出初始控制转矩，时i 叫延迟2 0 m s 后，爆炸筒爆炸，推 动弹翼( 尾翼) 展丌。转角传感器将测到的角度信号转为脉冲信号，作为加载系 统的转角输入信号，由控制器计算输出给伺服驱动器给定转矩。驱动器中的转 矩输出实际转矩送入控制器，作为反馈信号。转矩和转角信号与控制曲线比较 后由控制律汁算输出给定转矩到伺服驱动器，形成闭环控制。 加载系统采用2 个加载台分别进行弹翼和尾翼加载，公用一个驱动控制柜的 方案，以节省经费。控制柜上装有弹翼和尾翼的加载控制程序以适应不同的实 验要求。实验中由操纵台上的计算机向控制柜上的控制器发送指令以控制整个 实验过程。系统的机构如下图所示： e 翼展开寓验台拄$ 4 鞋1 图2 1 系统的机构 西北工业大学硕士论文系统方案 2 2 系统组成 个实时控制系统硬件通常由5 部分组成： 1 完成信号检测、隔离和a d 转换的数据采集装置。 2 完成驱动被控对象按控制性能要求动作的执行机构。 3 完成输出信号d a 转换的模板。 4 完成数据加工、处理、计算和调度程序运行的中央处理机。 5 操作、显示、记录系统工作状态的专用控制设备和键盘、显示器、打 印机等通用设备。 2 2 1 控制器 该弹用加载控制系统具有非线性，精度要求高，响应时问快的特点。控制 器功能包括以下几点： la d 采集； 2 对数据加工处理，根据实时测得的转角计算给定转矩； 3 根据一定的控制算法对给定转角一转矩曲线的跟踪； 4 d a 输出； 5 控制器指令接收，包括给定的攻角； 6 启停控制。 为满足这些要求，本控制系统拟由b r 系列p c c 实现。可编程控制器p c c 是集计算机技术、通讯技术、自动控制技术于一体的新型控制装置。可编程控 制器技术从6 0 年代以来，历经可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 、可编程控制器p c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，到今天的p c c 均 以其高可靠性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大而成为工业控制领域中增长 速度最迅猛的工业控制设备。随着3 c 技术( 计算机、通讯、控制) 的发展，新一 西北工业人学颂二l 论文系统方案 代的p c c 已经能胜复杂的过程控制。其良好的兼容性、丰富的功能函数、品种 多样的硬件模块、高级编程语言的使用，使p c c 已能适应各种工业控制的需要。 可编程控制器的生产厂家和产品型号繁多，但基本原理大同小异，我们拟采用 b & r 系列的2 0 0 3 型p c c 。分析本系统中控制器与外界的接口：两套光栅编码器 作为传感器、两套转矩传感器分别向控制器输入脉冲数字信号：限位丌关输入 数字丌关量：伺服驱动器向控制器输入已经转换为电流信号的转矩信号：同步 装置向控制器输入启停的丌关量；空气丌关、点火信号等数字量；工控机与其 也有通讯接口。控制器向伺服驱动器输出启停信号以及表示转矩的电压信号， 因为p c c 模块内部已有模数转换器( a d c ) 以及数模转换器( d a c ) ，这些已经转换为 电压、电流的模拟信号可以直接输入模块。 2 2 2 控制台计算机 上位机完成的功能是：根据采集到的数据做出转角一转矩曲线图及载荷谱 图，并与给定的弹翼受力与展开角、攻角的关系曲线及加载力矩与转角、载荷 谱的关系曲线进行比较；报警与紧急应变系统。 控制台计算机采用研华5 8 6 工控机。 上位机编程软件拟采用c + + b u i l d e r 高级语言编程实现，该软件应基于 w i n d o w s 平台，集人机界面、数据采集、数据记录于一体，提供了报警功能，支 持p c c 硬件，提供冗余功能，而且运行速度快，实时性好，爿可以满足本加载 系统的上位机操作要求。 7 西北工业人学坝土论义系统方案 2 2 3 电机参数设计 2 2 3 1 弹翼伺服电机： 1 有关参数计算： 最大转矩：t 2 x 8 0 0 n m = 1 6 0 0 n m 取t 。= 1 8 0 0 n m 最大角速度粗估( 以线性估计) ： ：阜上：2 1 6 b r a d s 叱m 2 吒。而司5 最大转速估计：”。= 2 5 r p m 最大驱动功率计算：只。= 。z 。= 2 1 6 8 1 8 0 0 2 电机参数设计 选取电机输出功率为1 5 k w 极对数4 输出额定转矩：r = 1 9 0 n m 减速齿轮效率8 0 取减速比为1 0 ，则t m = 1 5 0 0 n m 电机输出最大转矩t ”x _ 1 5 x t 、= 2 8 5 n m 加载轴最大输出转矩t 。，= 1 5 t 。xr i = 2 8 8 0 n m 电机转速范围o 7 5 0 r p m 加载轴输出转速范围o 7 5 r p m 电机电压：3 相5 0 1 4 z3 8 0 v 1 0 2 2 3 2 尾翼伺服电机 l 有关参数计算 两北t 业大学硕士论文 最大转矩：t 。；1 0 0 n m取7 r = 1 0 0 n m 最大角速度粗估( 以线性估计) 、：! ! _ l ：4 3 9 8 r a d z h 2 孤厂一一0 0 5 2 ，。 1 2 6 0 最大转速估计：f l 。t , = 4 2 0 r p m 最大驱动功率计算( 以单翼估计) ： p = 。t ； = 1 0 0 4 3 9 8 = 4 3 9 8 w 2 电机参数设计 选取电机输出功率为l 1 k w 极对数耿4 额定输出转矩：t 、= 1 4 0 n m 最大输出转矩t 。，= 1 5 t 、：2 1 0 n m 电机转速范围：0 7 5 0 r p m 电机电压：3 相5 0 h z ，3 0 0 v + 1 0 2 2 4 伺服驱动器 系统方案 2 2 4 1 矢量控制与直接转矩的比较及本课题控制策略的选定 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子的电阻就可以观 测出来。它不须将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化：既不要模仿 直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化电动机的数学模型，它省掉矢量旋 转变换等复杂的变换与计算。采用空间矢量的概念来分析三相电动机的数学模 9 西北t 业大学硕士论文系统方案 型和控制其各物理量，使问题变的简单明了。它不去极力获得理想的正弦波形， 也不强调磁场的圆形轨迹。而是从控制转矩的角度出发，采用离散的电压状态 和六边形磁链轨迹或近似圆形轨迹的概念，通过两点式调节器把转矩测量值与 给定值作滞坏的比较，把转矩限制在一定的容差范围内，容差的大小，由频率 调节器来控制。 转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转 速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定 子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器 化。这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别 ( 1 d e n t i f i c a t i o n 简称i d ) ，通过i d 运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、 饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机 的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的b a n d - - b a n d 控制产生p w m 信号对逆变器的丌关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和 很高的速度、转矩控制精度。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用 的控制信号使观察者对交流电动机的物理过程能够直接和明确的判断。而矢量 控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链学要知道电动机转子的电阻核 电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化 影响的问题。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而 是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。然而直接转矩控制技术在 低速范围还存在很多难题，尤其定子电阻的辨识问题，已经成为它进一步发展 的障碍。根据本课题所做系统要求有极高响应速度，选择直接控制方案。 2 2 4 2 直接转矩控制系统a c s 6 0 0 “ 瑞典a b b 公司研制的当今先进的( 交流异步电动机) 直接转矩( d t c ) 控制 系统a c s 6 0 0 ，使得传动控制性能指标上了一个新的台阶。每台电动机对应一台 1 0 西北工业大学硕士论文系统方案 ( d t c ) 逆变器a c s 6 0 0 。 直接转矩控制利用空间矢量的概念，把矢量坐标定向在定子坐标系上， 以此建立电动机的数学模型，计算并直接控制电动机的磁链和转矩，因而电 动机的控制模型简化，参数计算量大大减少，各被控量的物理意义显得十分 直观、简捷。a c s 6 0 0 控制系统采用了具有良好性能的i g b t 功率丌关组件，配 备了具有强大的信号处理功能的应用及马达控制器( a m c ) ，实现对逆变器和电 动机的控制。 a c s 6 0 0 控制系统利用电机在i d 运行中所测得的参数建立的电机模型，对 适时测得的电动机的二相电流值和中间环节的直流电压值以及功率元件的开关 状态进行分析、计算。然后把计算得到的实际定子磁链、转矩与磁链给定控制 器和转矩给定控制器给出的磁链、转矩给定值进行比较，用两点式滞环调节器 进行调节，把它们的误差值限制在给定的容差范围之内。借助于这种离散式调 节( b a n d - - b a n d 控制) ，适时产生最佳p w m 控制信号直接对逆变器的丌关状态 进行最佳控制。逆变器的每次开关模式都是适时、单独确定的，其间隔是2 ju s 。把转矩响应限制在一拍( 1 5 m s ) 之内，无超调。有关技术性能详见表1 所示。 表1 直接转矩控制与矢量控制性能对照表 t a b l el p r e 1 始n yc a r a p a r i s e ub e l w e e nd i r e c tt o i q u n c o 世r o la u dv e t o l c o o t r o i 直接转矩控制 项目矢量控制1 两酹虿孬甭磊丽震磊再再_ 丽焉污孺广篙甄1 _ 瓦藁耍丽 反馈反馈 ( 有螭码器反馈)( 有编码嚣反馈) a c s 6 0 0 控制装置配有数据通讯接口，可以通过数据总线进行编程、监控和人机 西北工业大学硕士论文系统方案 对话。 2 2 4 3a c s 6 0 0 控制系统的基本结构简介 图2 2 是直接转矩控制a c s 6 0 0 控制系统的基本结构方框图。 # 毕 培亢 m 度 特定 雀近 仉化 叠沮 制曲 n t c 栉心 导 转城蚧庭柠删嚣 翌 i l l 忙艇比轾器 名舀篮 j 肚斗怃化 越艉比较鼯l 、， 一 恫笃： 6 铂矗 1 嘴 蔗鸾母 s i c ( 1 j 一卜j 一i 垡1 r l 近戍 人ll i m 型 ； ri 上 1 糨 选曩k 谜 电动描 图2 2a c s 6 0 0 系统框图 从图中可知，系统除了由含最优开关逻辑控制器、直接转矩、磁链滞环控 制器和精确的电机模型构成的核心部分以外，还有速度控制器、磁通给定控制 器和转矩给定控制器。速度控制器为p i d 型，这种结构有效地提高了系统的动 态特性，它还具备速度补偿功能。速度控制器的输出信号和转矩给定信号作为 转矩控制器的给定信号。转矩控制器可以实现转矩的内、外给定功能。在内给 定情况下，转矩给定信号由速度控制器的输出提供，它是一个带输出限幅的积 分控制器，其输出作为转矩给定信号。磁通给定控制器用于优化的磁通曲线的 设定。转矩比较控制器和磁链比较控制器均采用简单的两点式滞环调节器，它 们借助离散式调节( b a n d b a n d 控制) 以实现对电动机磁链和转矩的直接控制，能 方便地把给定值和实际值的偏差限制在给定的容差范围之内。系统检测电动机 两相电流、逆变器的直流电压和功率元件的开关状态，利用在i d 运行中建立的 自适应电机模型进行分析、处理，计算出电动机适时的磁链和转矩状态值。脉 西北工业大学硕士论文系统方案 冲优化环节根据磁链和转矩状态值进行脉冲优化处理后，直接控制逆变器功率 丌关元件动作。而在i d 运行中确立被控电动机的定子阻抗、互感、饱和因素及 电动机转子的转动惯量等参数。 2 2 4 4a c s 6 0 0 控制系统的特点 直接转矩控制系统a c s 6 0 0 和其他的交流变频调速( 如矢量控制) 系统相比 较，有多方面的优点：没有矢量控制那样复杂的坐标变换及解耦等繁杂的实时 运算；没有间接控制电动机的磁链和转矩的p i 调节运算；没有专门的p w m 计算 环节，而是在离散的磁链、转矩滞环调节的过程中直接生成p w m 脉冲，同时实 现脉冲优化。由于直接转矩控制a c s 6 0 0 系统的结构十分简单，系统适时参数运 算量大大减少，因而具有运算周期短，运算速度快，参数刷新周期短诸多优点。 故其各项性能都可以与矢量控制媲美甚至有过之而无不及。下面就其优点作简 要晚明。 运用自适应电机模型进行计算与控制a c s 6 0 0 控制系统没有像异步电动 机矢量控制那样复杂的坐标变换和解耦计算，仅仅测量电动机的两相电流和中 间环节的直流电压，利用运行中建立的电机模型在定子坐标上进行计算、控制。 ( 1 ) 估算定子磁链( 虮) 电机模型的主要任务是在每一个控制周期中( 2 5 彬) 产生一个定子磁通的估 算值。可以这样确定定子磁链： y ，= i ( 。一r 。i ，) d t ( 2 1 ) 定子电压矢量u 。由测得的d c 电压和届时所取的开关模式确定，定子电阻r 、在 i d 过程中辨识，定予电阻的温度补偿由热电机模型的温度估测来实现，功率死 区、电压和换流延时也考虑在定子磁链的估测中。定子磁链矢量还利用在线电 流来校正。如式( 2 2 ) 它由定子电流和转子电流向量来表示： 妒，= 三，f ，+ 。f ， ( 2 2 ) 西北工业大学硕士论文系统方案 通过对定子磁链的估测的校正，使得式( 2 2 ) 在稳态和动态均成立。因此，电流 反馈大大改进了定子磁链估测的精确度，特别是在低速情况下亦是如此。这是 因为电动机的转矩在整个调速范围内，包括零速都非常线性化，所以能产生极 高的起动转矩。 ( 2 ) 估测电气角频率( 国。) 和转子速度( 0 9 ，) 吐：华：盟乓盥 ( 2 3 ) d l 电气频率的计算通过对转子磁链矢量角的微分得到。臼( f ) 为转子的瞬时空间 角度。计算的时间间隔为l m s ( 血) ，它可以计算4 0 0h z 以下的频率值。 ( 3 ) 估测转子磁链的位置角( 曰( f ) ) ，= 妒h + 妒w ( 2 4 ) 式中y 。、y 。是磁链矢量 分别在x 轴和y 轴上的投影。 口，：a r c t a i l 【竖】 ( 2 5 ) ( 4 ) 估测转子的机械速度 驴伽。一。 ( 2 6 ) ( 5 ) 估测电动机的转矩( t ) 7 = r ! 手旦i y ，i i 吵。l s i n y ( 2 7 ) 即转矩的实际值是由定子磁链与转子磁链矢量的矢量积成正比。式中t 为 电动机的转矩，p 为电动机的功率，o 为漏磁系数，l _ 为励磁电感，虬为定子磁 链矢量，y ，为转子磁链矢量，y 为定子、转子磁链矢量的夹角。由此可知，要 4 西北工业大学硕士论文 系统方案 控制电动机的转矩，只要控制定子磁链矢量与转子磁链矢量之间的夹角“y ” 就行了。而典型的电机的转子时间常数大于l o o m s ，它相对于定子磁链来说变化 很慢，可以认为转子磁链矢量的位置是相对稳定的。因此，如果使定子磁链矢 量的长度保持恒定，在一个方向上尽可能快地直接旋转定子磁链矢量，可以非 常有效地获得所需的转矩。如果需要某一特定的转矩，则只需在下一次功率组 件的开关状态切换时，选择适当的定子磁链矢量( 电压矢量) 就行了。 两点式滞环调节器控制电机的磁链和转矩 ( 1 ) 磁链比较控制磁链 比较控制是把磁链设定控制器送来的磁链控制信号与根据电机模型计算而 得的实际磁链信号进行比较，利用滞环调节器进行控制，把定子磁链限制在预 定的容差范围以内。控制磁链矢量的目的是使磁链矢量顶点运动的轨迹尽可能 呈一个圆，控制磁链矢量实际上是通过对电压矢量的控制来实现的，如图2 3 所示。当需要与转子磁链矢量v ，呈y 角的定子磁链矢量沙。时，在一定区间内首 先选择超前y 。矢量9 0 。的电压矢量( 如u 。) ，即可使定子磁链矢量v 。顶点的轨 迹沿电压矢量u 。的方向运动，v 。沿其径向增加。当v 。增加到其最大值| v ，i + i v 、时，改选比ms 超前1 2 0 。的电压矢量( 如u 。) ，即可使v 。顶点的轨迹沿 u 。的方向运动，掣。沿其径向减小。当v ；减小到i v 。| - l v ，i 时，又重新改选 u 、。这样，在这个区间内反复选择电压矢量u 。，u 。即可把定子磁链矢量控制 在预定的误差范围以内，即i v 。| i 掣： 。同理，在其余区间内，可以选择适 当的电压矢量来控制在该区间内所需要的定子磁链矢量。 西北工业大学硕士论文系统方案 y 图2 3 磁链矢量控制示意图 必须明确指出的是，实现直接转矩控制并不刻意追求其输出电压一定为f 弦波，即定子磁链为圆，而首先追求的是尽快满足负载所需要的输出转矩。 ( 2 ) 转矩比较控制 转矩比较控制器是把转矩给定控制器送来的给定转矩控制信号和根据电机 模型计算而得的转矩实际信号进行比较，利用滞环调节器进行控制，把电动机 的转矩限制在预定的误差范围以内，即t 。t 。简言之，根据式( 2 7 ) 可知： 电动机的转矩和定子与转子磁键矢量的模以及它们之间的夹角的正弦值的乘积 成正比。一般，转子的时间常数大于l o o m s ，较稳定，其磁链的值由负载决定， 可视为不变，而定子磁链是受控的，只要改变定、转子磁链之间的央角就灵活 地改变了电动机的转矩。参见图2 4 ，在t 时刻选择某一适当的非零电压矢量， 保证它所产生的定子磁链与转子磁链的夹角y 足够大，电动机的转矩迅速增加， 当转矩值增加到t 。+ t 时即t ：时刻，滞环调节器发出指令，改选另一电压矢 量，使其对应的定子磁链矢量与转子磁链矢量的夹角的正弦值减小，电动机的 转矩减小。当电动机的转矩减小到最小转矩t 一t 时即t 。时刻，又改选适当 的定子电压矢量使其转矩增加，如此循环。 西北工业大学坝t 论文系统方案 图2 - 4 转矩控制示意图 磁链滞坏调节过程中直接生成p w m 脉冲 通常的变频调速系统中，根据控制器的输出量而在一个专门的环节中生成 一相的p w m 脉冲列，再以此为依据，生成超前和滞后这个p w m 脉冲列1 2 0 。的其 余两相的脉冲列。a c s 6 0 0 控制系统中没有专门的p w m 脉冲列生成的计算环节， 它是在磁链调节过程中直接生成p w m 脉冲列，特别是每一个脉冲宽度也是自动 生成的，同时还实现脉冲优化。图2 3 所示的每条折线的长度，正好是执行某 一定子电压矢量的时间，亦与逆变器输出三相电压的p v p i 脉冲列每一个脉冲的 宽度相对应。这就是“借助离散式调节( b a n d - - b a n d 控制) 直接产生p w m 控制信 号”的奥秘之所在。 脉冲优化控制 实际上磁链控制与转矩控制是有机地联系在一起的。如前所述，控制电机 的转矩一方面要控制定、转子磁链矢量的夹角，同时又要根据磁链设定值对定 子磁链进行控制。控制这两个参量，均是通过控制逆变器的输出电压矢量即控 制功率开关组件的开关状态来实现的。如何选择开关元件的组合状态，才能使 开关组件的开关频率越低，同时又能得到满意的磁链( 尽可能圆的磁链轨迹) 和 足够的转矩，这是脉冲优化选择器的根本任务。 西北工业大学硕士论文系统方案 2 3 关键技术的研究 2 3 1 多余力消除 对于加载系统最主要的是能够产生所需要的加载特性，即完全满足操作对 象的负载特性( 即载荷谱) 。多余力消除是所有加载系统都遇到的问题，也是能 否真实加载的关键。由弹用加载平台的工作原理来看，属于被动式加载，其特 点是加载执行器的运动是被动的，当弹翼( 尾翼) 动作后，加载系统即被动的按 照载荷谱指令给弹翼( 尾翼) 加载。这种加载系统的最大特点是存在多余力矩， 多余力矩是被动式力矩伺服系统中出现的特殊问题，是一种附加的干扰，会造 成模拟负荷失真，并且它会随着实验信号频率增加而增大。 对加载系统多余力的研究，理论上还没有形成统一的体系，抑制多余力的 效果还不同程度存在许多缺陷。目前，多余力的抑制一是从硬件( 机械) 结构上 进行改进。它具有性能稳定、可靠性好等优点，但加工和安装精度是其主要障 ， 碍。二是从软件上进行改进。它具有耗资小、设计调试灵活的特点，因而广受 设计者的青睐。我们准备采用第二种方式。 本加载系统某一时刻的多余力包括两种： 1 惯性力，因为存在转动惯量，很小的角加速度就会带来较大的惯性力力 矩，严重地影响了加载系统的控制性能和加载精度，因此必须消除。 2 加载控制误差，即前一时刻实际力矩与期望力矩之差值。由于总是存在 曲线的跟踪误差，实际产生的力矩不可能完全等于模拟出来的期望阻力矩，两 者之间的误差t 也会影响到下一时刻的实际力矩，也是应该消除的。 2 3 1 1 多余力计算 因为在本加载系统同一轴上有三种力：( 1 ) 主动力：由爆炸筒爆炸时，将 弹翼、尾翼往外推展的力矩；( 2 ) 阻力矩：由加载系统产生的模拟风阻的阻力矩； 西北工业大学硕士论文系统方案 ( 3 ) 惯性力：在加载运动过程中由于机械惯性作用产生的惯性力。由于三种力在 同轴上，而轴上安装的转矩传感器只能测出三个轴的合力，主动力又是无法 测量的，因而，如何根据转角和攻角或载荷谱的加载曲线产生准确的阻力矩成 了关键。解决的办法之一是采用计算的办法计算出电机的出力。这可由控制器 辨识的电机模型以及电机电流、角速度计算出。该计算的准确性可以在加载台 调试过程中让主动力为零时由轴上的转矩传感器得到校验。 力矩之间的关系为： tm = t v + t t = mm + a t = j 。+ a t 其中tm 为加载曲线上给出的负载阻力矩，l 为电机出力矩，t 矩，m 。为惯性多余力，t 为加载控制误差。则电机出力t - 为： t 。= t m t = t m - j ( - o a t 2 3 1 2 惯性力矩 为多余力 ( 2 8 ) 惯性力是多余力的主要成分，加载系统的合成惯量j 是真实惯量j 。与实验 台附加惯量j ：的和。即 j = j t 】+ j - 因此，合成惯性力t 为t ：j = j o * c o + j 。 我们应该消除的惯性力矩即为j 十。 转动惯量虽然可以通过事先测定弹翼( 尾翼) 的面密度、截面积、高度等物 理量计算得到，但是计算比较麻烦：我们可以通过测量空载时的力矩和角加速 度，利用公式j = t c 0 得到。为减少误差，我们打算测试较多的数据，例如5 0 0 组，分别计算j 后，取其平均值得到实验台附加惯量j 。 实验台附加转动惯量 已经测得，国实时测量计算，我们可以通过公式： 西北工业大学硕士论文系统方案 m ( k ) = j ( k ) 计算出惯性力矩。 2 3 1 3 加载控制误差 加载误差t ( k ) 可以通过力矩传感器测量和控制器计算容易得到。 t ( k ) = t ( k ) 一t 目( k ) 其中，t ( k ) 为第k 次输出对应的实际力矩，tm ( k ) 为第k 次输出对应的 期望阻力矩。 2 3 1 4 计算公式 考虑多余力矩的两个方面，则第k + t 次输出对应的多余力矩为： t ( k + 1 ) = i f 【( k + 1 ) + a t ( k ) 对于实时工作的每一采样点，根据公式( 1 ) ，输出的电机出力为： t 。( k + 1 ) = tm ( k + 1 ) - - t ( k + 1 ) - - - - tm ( k + 1 ) - j 。* c o ( k + 1 ) 一t ( k ) =tm ( k + 1 ) - j 。$ 0 9 ( k + 1 ) - - t ( k ) + tm ( k ) 其中，tm ( k + 1 ) 为第k + 1 次输出对应的期望阻力矩。我们拟每5 m s 输出 一个电机出力矩，而电机有5 m s 的延迟时间，为了减小误差，我们是在每一个 输出开始时，就计算下一个输出点对应的输出力矩。下一个输出点对应的角度 为0 。= 0 。+ ( ) t ，u 实时采集得到，在事先确定并下载到控制器的展开角一 阻力矩数据中，查找到0 “对应的tm ( k + 1 ) 。 2 3 2 转角加速度及转矩的测量计算 2 3 2 1 角加速度 角加速度无法直接测量，一般利用转速求得。转速可以通过装在轴上的光 栅编码盘计算出，其分辨率为2 0 4 8 p r ，它是通过安装在轴上的圆盘的挡光、透 2 0 西北工业大学硕上论文系统方案 光，把轴的转动量变换成脉冲序列的电信号。由脉冲序列求转速，有两种计算 方法： 1 如果在一定的时间t 内，统计发生的脉冲个数n ，则n 与旋转速度成j 下 比。该方法又称m 法。如图2 5 所示。转速= n t 1 。 卜竺生一 t 1 图2 5 m 法求转速 2 如果用编码器测定发生的脉冲周期t 2 ，则孔与旋转速度成反比。该方 法又称t 法。如图2 - 6 所示。转速u = l t 2 。 图2 6t 法求转速 考虑精度，第一种方法更适合于高速情况，第二种更适合于低速情况。 尾翼0 6 秒旋转1 2 0 。，则每秒旋转1 2 0 0 6 = 2 0 0 。，编码器分辨率为 2 0 4 8 p r ，所以尾翼每秒脉冲为2 0 4 8 x 2 0 0 3 6 0 = 1 1 3 7 个，每毫秒1 1 3 7 个。 弹翼0 6 秒1 秒旋转9 0 。，则每秒旋转1 5 0 。9 0 。，所以尾翼每秒脉 冲为2 0 4 8 9 0 1 5 0 3 6 0 = 5 1 2 8 5 3 3 个，装在快速轴上，脉冲个数为原来的1 0 倍，因此每毫秒脉冲5 1 2 8 5 3 3 个。 因为系统采样周期为l m s ，根据上面分析尾翼( 弹翼) 每毫秒的脉冲个数， 速度相对采样周期而言属于低速。所以测定尾翼和弹翼的角加速度，我们准备 用第二种方法即定时法计算，测量发生n 个脉冲的时间周期。一般通过转速计 西北工业大学硕士论文 系统方案 算角加速度的方法为： u 】2 n t 2 l ， ( ) 2 = n t ， 国= ( 。一( i ) ) t 。 通常n 取1 ，为减小误差，我们取n = 5 或更多一些。因为p c c 数字输入模 块d 1 1 3 5 的输入频率为5 0 k h z ，则每o 0 2 毫秒为一个周期，前面已经估算出脉 冲周期的数量级为毫秒，因此精度可以保证。 我们应用窗式计算原理以减少误差，采用改进的计算角加速度的方法。当 n 取5 时，如图依次测量5 个发生5 个脉冲的时间周期， u i = 5 t 2 ， u ：= 5 t “， ：，= 5 t 2 6 04 = 5 t 2 4 ， ( ) 5 = 5 t 2 5 ， 。= ( u ：一( 1 ) ) ( t ：。一t 。) ， c o f ( u j - - u2 ) ( t 2 。一t “) ， n ) f ( | 一i ) ( t 2 。一t 鲋) ， _ ( u j u 。) ( t 。s t “) ， - = ( 。+ 国一彩3 + 缈。) 4 。 图2 7窗式计算方法 西北工业大学硕士论文系统方案 2 3 ，2 2 转矩 力矩可以通过伺服驱动器计算得到，并由力矩传感器j n 3 3 8 2 0 0 0 a 校验。 力矩传感器满量程1 5 k 频率对应的力矩是2 0 0 0 n m ，5 k 对应- - 2 0 0 0 n m ，i o k 对应 的力矩是0 。频率与力矩成正比，因此我们可以求出任意量程对应的力矩大小， 例如测得频率f = 1 3 k ，则力矩为 t = ( f 一1 0 ) x2 0 0 0 1 5 = 4 0 0 n m 。 检测脉冲的时候，因为周期为频率的倒数，所以周期为l 1 5 i l o m s ，采 用上述t 法测得脉冲，同样为了减小误差，计算力矩我们也采用窗式原理计算。 2 4 控制方案软件仿真 我们准备先采用数字仿真方法验证系统的可行性，然后在实验中进一步加 以确定。现在为系统的设计和仿真提供的软件非常多，值得一提的是m a t l a b 。 m a t l a b 功能强大，工具箱丰富，是设计控制系统的得力助手。它的仿真部分 s i m u l i n k 由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分构成。对于由微分 方程或者差分方程描写的动态系统，用户无须编写文本形式的程序，而只要通 过些简单的鼠标操作就可以形象的建立起研究系统的数学模型，并可进行仿 真和分析研究。另外还有p s p i c e ，m a t h e m a t i c a 等，都可以对控制系统的设计 起到辅助作用。其中p s p i c e 是一个模拟电路仿真软件，可以对控制系统的主电 路和执行元件进行仿真；m a t h e m a t i c a 是一个数学软件，可以对控制系统的控制 理论进行仿真。现在流行的做法是将不同的仿真软件结合起来，对系统的控制 器和主电路作全面的仿真设计。在得到较好的系统结构和较优的系统参数后， 再在系统软件中调试，从而比较容易的得到合适的参数。 m a t l a b 语言是国际控制界应用最广的首选计算机工具，特别是基于 m a t l a b 语言的反馈控制系统计算机辅助分析与设计程序c t r ll a b 工具箱，可 西北工业大学硕士论文 系统方案 将设计者从烦琐的计算机程序编码中解放出来，使设计和参数的整定变得简 单。因而用它来整定软件中p d 控制参数，就更省时、省力、可靠、通用。 下面是比较粗略的仿真，用时间一力矩曲线代替角度一力矩曲线，用常数 代替角加速度，用0 9 9 8 s ( s + o 5 ) 代替驱动电机的传递函数”，仿真结构图为： 图2 - 8仿真结构图 其中左半部分是形状各异的时间一力矩曲线，n l p i d 是控制律，采用的是积 分先行不完全微分的p i d 控制控制律。 其结构图为： 西北工业大学硕士论文系统方案 图2 - 9 控制律结构图 仿真结果令人满意，期望输出与实际输出曲线完全重合。效果如图2 1 0 示。 图2 - 1 0仿真结果 匹：i l t 业大学硕士论文硬件系统 3 1p c c 介绍 第三章硬件系统弟二早硬什系现 自6 0 年代末美国第一台可编程控制器p l c 问世以来，可编程控制技术已 走过了3 0 年的发展历程，尤其是随着近年来计算机技术和微电子技术的迅猛 发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的“顺序控制器”的雏形阶段。 奥地利b & r 工业自动化公司推出的可编程计算机控制器p c c 就是代表了这一 发展趋势的，新一代的可编程控制器产品。 与常规p l c 相比较，p c c 最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任 务操作系统和多样化的应用软件的设计，常规的p l c 大多采用单任务的时钟 扫描或监控程序，来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的i 0 通道地状态 采集与刷新，这样处理，直接导致了真正意义上的“控制速度”依赖于应用 程序的大小，这一结果，无疑是同i o 通道中高实时性的控制要求相违背的。 p c c 的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软 件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系 统的循环周期决定，由此，它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期 区别开来，满足了真正实时控制的要求，当然，这种控制周期可以在c p u 运 算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。 基于这样的操作系统，p c c 的应用程序由多任务模块构成，这样给项目应 用软件的开发带来了很大的便利，因为这样可以方便地按控制项目中各部分 不同的功能要求，如数据采集，报警，p i d 调节运算，通信控制等，分别编制 出控制程序模块( 任务) ，这些模块既相互独立运行，而数据问又保持一定的 相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试完成之后，可一同下载至 西北工业大学硕士论文 硬件系统 p c c 的c p u 中，在多任务操作系统的调度管理下，并行运行，共同实现项目的 控制要求，这一特点，可图示如下： 图3 1p c c 应用程序的构成 基于上述功能强大的特殊的操作系统，p c c 在应用程序的设计上，有着常 规p l c 无法比拟的灵活性。 由于p c c 是基于多任务环境下设计程序，采用大型应用软件的模块化设 计思想，各个任务模块的功能描述更趋清晰简洁，用户在开发自己的任务时， 由于对其功能的提取具有通用性，因而作为一个独立的功能模块，用户可十 分方便地将其封装起来，以便于曰后在其他应用项目重新使用。 p c c 的编程硬件摆脱了常规低档p l c 所采用的手持编程器的限制，采用普 通p c 机配以一套功能强劲的开发软件作为在线开发工具，这种方式，不仅 节省了用户的硬件投资，更重要的是，它发挥了p c 机作为在线编程开发工具 的强大的软硬件优势，它为用户提供了源程序级的单步，断点，单周期及p c c 在线错误自诊断等多种形式的调试手段，使应用程序的开发十分灵活便捷。 另外，通过p c 机上编程软件包所提供的为数众多的函数，用户可在很短的时 间内，编制出高效而复杂的控制程序来。 p c c 在编制不同的单个任务模块时，具有灵活选用不同编程语言的特点， 西北工业大学硕士论文硬件系统 这就意味着不仅在常规p l c 上一直为人们所熟悉的梯形图，指令表语言可在