磁悬浮试车架模拟控制板调试方法

.z磁悬浮试车架模拟控制板的调试方法容提要磁悬浮技术是一门涉及机械工程、力学、电磁技术、电子技术、控制工程和计算机技术的综合技术，在许多领域得到广泛应用。电磁轴承是磁悬浮技术的典型应用，具有无接触、无摩擦、无磨损、可控制等优点，将电磁轴承应用于固体发动机试验系统，可以解决接触式支承不可防止的轴向力传递过程中的力损耗问题，从而可提高轴向推力测量的精度和试验架的动态响应，为固体发动机试验的参数测量提供新的技术途径。电磁轴承的控制技术是磁悬浮技术应用于固体火箭发动机地面试验的关键技术之一，其控制器的设计、调试是整个工程的关键环节。本文主要介绍了磁悬浮试车架模拟控制板的调试技术。根据电路调试原理，将原理样机模拟控制板电路划分为七个单元电路，对电路逐个进展了理论分析，数字仿真；对单元电路设计了测试方案，获得了实测的电路数据，对数据进展了处理，对理论模型进展了修正，得到了单元电路的准确模型；设计了开环调试方案，组建了开环调试系统；进展了开环调试，根据控制目标，更换了局部元器件，使模拟控制电路到达了性能指标要求。2005年6月1日完成了实物试验，到达了控制目标。说明了测试过程中得到的单元电路模型是正确的，开环调试方法是可行的，建立了一种磁悬浮试车架模拟控制板的离线调试方法，为以后相关型号固体发动机地面热试车系统提供了快速调试方法。1概述由于磁悬浮技术的无接触、无摩擦、可控制的优点，806所近年来密切关注此项技术的最新开展并将磁悬浮试车架应用于地面试验中。磁悬浮试车架的工作原理是通过电磁轴承产生电磁力克制发动机的重力和外界干扰力。磁悬浮试车架控制系统的功能是测量发动机的轴线径向位移，并与轴线指定位置比拟获得位移偏差信号，调节供应电磁轴承的电流形成可控电磁力，使发动机起浮并稳定到指定位置。由此看来，控制器的设计、调试方法是整个工程研制的关键环节。806所于2004年引进了磁悬浮试验架原理样机，并提出了形成设计能力的目标。很快仿制了模拟控制板，在第一次调试试验中根本实现了发动机的起浮但出现了发动机的振动现象。针对此问题，要求获得模拟控制板的性能数据，并完成模拟控制板的性能调试，实现发动机的稳定悬浮，经过3个月的紧工作，根本获得控制板各电路的性能参数，建立了电路的准确模型，摸索出一套开环调试方法。2电路板调试原理电路分析与模块分解电路仿真与模块仿真电路分析与模块分解电路仿真与模块仿真电路元器件及连线检查电路板动、静态测试全系统性能调试图1电路板调试步骤图1模拟控制板调试步图1模拟控制板调试步骤3PID模拟控制板的调试3．1单元电路分析单元电路分解的目标是为了获取系统模型及性能参数。调试过程将整个电路分为位移调理电路〔调零和二阶滤波电路〕、电流调理电路、PID电路、限幅及正反向电路、脉宽调制电路〔由TL494组成〕、IGBT驱动电路〔由E*B841电路组成〕及电源〔±12V，±15V、4路20V〕等局部，如图2所示。图2电路原理图图2电路原理图图2电路原理图在单元电路分析过程中，对各单元电路分析其原理，计算其相关参数，建立相应的数学模型，并分析了各个电路的功能。各个电路分析如下：1〕电源电路模拟控制板上的电源电路包括±12V，±15V，20V输出。其中+12V电源主要提供参考电压，给位移调零电路提供独立电压，并在过流保护中应用，±15V电源给控制板上各电路芯片供电，20V电源给IGBT驱动电路的E*B841芯片供电。电源电路原理根本一样，不同电源输出时器件略有调整。2〕位移调理电路传感器信号调理电路包括调零电路和滤波电路。调零电路功能是将测量位移信号与指定位移信号比拟获得位移误差信号，滤波电路功能是对位移传感器信号进展滤波，提高测量信号质量。滤波器选定切比雪夫滤波器，其放大倍数为-1，固有角频率为3.1K。电路原理图如图3所示。调零电路数学模型为：滤波器数学模型为：图3位移调理电路原理图图3位移调理电路原理图3〕电流调理电路电磁轴承由两组线圈组成，采用调节电流来获得可变电磁力，从而控制发动机位置，因此需要对两路电流进展测量并要对信号滤波。分析电路得到放大倍数为-333倍，滤波器截止角频率为500。单元电路由信号放大和滤波电路组成，其电路原理图如图4所示。数学模型为图4图4电流调理电路4〕PID电路磁悬浮控制器采用了成熟的比例-积分-微分〔PID〕控制模式，采用比例环节提高系统刚度，微分环节增加系统阻尼，积分环节消除稳态误差，因此采用了PID电路，其输入为位移偏差信号，并进展PID变换调节电流信号，到达通过改变偏置电流大小调节发动机的位置到达稳定悬浮和抗干扰的目的。常用PID的调节电路可有单运放PID电路，串并联PID电路，全并联PID电路。本设计为串并联PID电路，便于调节参数。图5将PID电路的各个环节进一步分解并建立其数学模型。P环节P环节I环节D环节求和环节20K20K20K321411U1A10KPort图5PID电路原理P环节数学模型〔设上电阻为R1，下电阻为10-R1〕则有获得增益系数为：P=；I环节数学模型〔设上电阻为R〕则有获得积分系数为：;D环节数学模型〔设上电阻为R〕则有其中R=0~25K，得到微分常数为：;再经过求和电路，则总的数学模型为5〕限幅电路*y图6限幅电路模型*y图6限幅电路模型图7限幅电路原理图PWM电路得到了调节电流大小，如果和偏置电流相加，则可直接应用。实际的电流源为开关电源，则必须将模拟信号转化为数字信号，采用了494脉宽调节电路。494脉宽调节电路有两路输入，一路输入将当前电流信号和控制电流信号求差后作为输入，另一路为过流保护输入。输出为调制方波信号。原理电路如图8所示。7〕IGBT驱动电路IGBT是一种开关电源，必须采用驱动电路，选用富士的E*B841芯片作为驱动电路。电路原理图如图9所示。通过单元电路的分析，根本上得到了各单元电路的功能，建立了整个控制电路的数学模型，计算得到了各单元电路的性能指标。图9IGBT原理电路图图9IGBT原理电路图图8PWM原理电路图3．2电路及元器件的正确性检查电路及元器件的正确性检查主要是为了检查电路板上的元器件是否和设计一致，电路连线是否正确，方法是通过万用表对电路板逐点逐元件进展检查，获得元器件的标称值和走线图。对结果进展分析，和理论模型比拟判别正误。通过这局部工作主要发现电路板中电源局部和芯片滤波电容标称值偏小，抗干扰能力较差。3．3模拟电路板动、静态调试准备在得到了全系统的数学模型、性能指标及电路的正确性检查后必须对电路进展动、静态调试，并建立相应的调试系统。本课题主要采用了虚拟电子工作平台(ElectronicsWorkbench,简称EWB)、HP3566、HP信号源及泰克2021示波器作为工具。运用虚拟电子工作平台对电路进展动静态仿真分析，运用HP3566和HP信号源、泰克2021示波器组成调试系统。通过仿真分析结果和实测结果进展比照，可以发现电路中存在的问题，并能做到机理清楚、问题复现。3．4单元电路动、静态调试电路板静态性能调试，方法是各功能模块分别加电测试，获得了测试数据，对数据进展分析得到放大倍数。给各个单元电路按传感器静态标定的方法输入不同台阶的直流电压信号用以考察各局部电路的稳态响应。有些元器件线性不好、或者在不同台阶值输出偏离理论值较大，通过输入直流电压的方法可以检查出来。例如在PID电路加电检查中，其中管脚6在输入电压为0~3V时输出不正常，正常值应为毫伏级信号，因此这片PID电路的芯片需要更换。其测量值见表1。电电压测量脚-9.5-6-30369.5R6-9.56-6-3.030.00002363.0469.65-9.41-5.94-30.00004123.015.949.526-9.54-6-3.03-10.6-10.56.019.67-11.8-8.19-5.04-0.6665.048.2911.99-9.52-6-3.035.133.046.019.6110-9.41-5.94-30.00007123.015.949.61表1PID电路静态测量数据电路板动态调试主要是为了获得实际电路中的滤波电路、微分电路、积分电路中的性能指标，调试中给电路施加不同频率、不同幅值的正弦信号，得到电路幅频特性曲线。通过该项测试得到了滤波电路的幅频特性参数与设计值根本一致，微分电路微分常数、积分电路积分常数和设计值偏差较大，对其进展调整，更换了局部元器件，使其到达性能指标。从而根本上解决了核心问题。3．5全系统性能调试在完成单元调试后，进展了全系统的开环调试，实际输出结果与理论结果根本一致。接着进展了全系统闭环调试试验，选取了20个测量点进展测量。闭环调试试验成功，试验的位移曲线如图10。图10位移曲线图10位移曲线4结论电路板的调试通过电路分析与模块分解、电路仿真、元器件及连线检查、单元动静态调试、全系统开环调试，2005年6月1日完成了实物试验，到达了控制目标。说明了测试过程中得到