摘要:針對某大型武器裝備技術特點,以某型數傳機闆級檢測擴充卡設計為執行個體,介紹了一種基于CPCI總線的電路闆檢測原理。在此基礎上,通過靈活運用繼電器陣列、FPGA、通用接口電路等,組成闆極檢測擴充卡,并給出了相關的軟體測試流程和硬體控制方法。
1 控制器的模組化
DSP作為無速度傳感器矢量控制器的核心,執行所有的控制邏輯。對DSP而言,輸入量包括油門踏闆給出的速度給定ωr,以及電機的三相電流回報iu、iv、iw,無速度輸入;輸出量是驅動三相逆變電路的6路PWM信号, TMS320F2812具有硬體PWM發生器,PWM的産生方法沒有必要模組化和生成代碼,故仿真模型中設定輸出量為電機三相電壓Vu、Vv、Vw。矢量控制是一個速度-電流雙閉環控制系統,仿真模型如圖1所示。模型需要轉化為代碼在DSP中運作,故隻能使用Simulink中的離散時間子產品。
基于三相靜止坐标系的變量在模型中加字尾u、v或w來差別;兩相靜止坐标系的變量加a或b字尾;兩相旋轉坐标系下變量加d或q字尾。圖1中标*的變量表示目标量,标^的變量表示估計量。控制系統的速度環由帶限幅的PI調節器構成,ωr為速度環的給定,轉速的回報ω^r由磁鍊觀測器提供,PI環節的輸出根據電機參數計算(子產品Fcn1)得到電磁轉矩分量電流的給定值iqs;電流環基于兩相旋轉坐标系(dq)設計,分别針對轉子磁鍊分量和電磁轉矩分量進行帶前饋解耦的PI調節,λr(Lamda_r)是轉子磁鍊的給定值,根據電機參數計算(子產品Fcn3)得到轉子磁鍊分量電流的給定值ids。自适應磁鍊觀測器在兩相固定坐标系下,基于電機的激勵(相電壓)和響應(相電流),計算出電機轉速ω^r和轉子磁鍊相位θ(theta)。
1.1 坐标變換子產品
坐标變換子產品将變量在兩相/三相靜止坐标系之間,或兩相靜止/旋轉坐标系之間轉換,轉換公式如表1。
1.2 電流控制子產品
電流控制子產品控制定子電壓,使電機實際電流不斷跟蹤參考電流,實作電流閉環控制。定子電流在dq坐标系下可以解耦為控制轉子磁鍊的ids和控制電磁轉矩的iqs,通常,電流控制子產品使ids保持給定的恒定值,使iqs跟蹤給定的變化。
定子電壓在dq坐标系下的d(q)軸分量Vds(Vqs)不僅僅是ids(iqs)的函數,還存在交叉耦合項ωm[Ls-M2/Lr]iqs(ids),其中M為電機互感,Ls為定子自感,Lr為轉子自感。為此,如圖2,引入前饋解耦,使用給定d、q軸電流計算交叉耦合電壓項,再将其疊加到電機控制電壓端進行補償,進而消除交叉耦合電壓項的影響,使PI控制環能夠良好工作。
式中的ωm為轉子磁鍊同步角速度,而磁鍊觀測器輸出的ω^r為轉子實際角速度,兩者之間存在轉差,圖1中子產品Fcn,使用iqs計算轉差角頻率,與ω^r相加計算出ωm,供前饋環節使用。
1.3 磁鍊觀測器子產品
磁鍊觀測器在兩相固定坐标系下設計,采用模型參考自适應方法。交流異步電機在該坐标系下的狀态空間表達式如下:
将相同的激勵vs作用于電機和其參考模型,比較其響應is、i^s,設計參數調整算法來根據其響應間誤差e不斷調整矩陣A中的可變參數ωr,使誤差e趨于0。磁鍊觀測器在Simulink中的模型如圖3所示,其中各矩陣子產品按照式(3)定義,将輸入向量與矩陣相乘。
H是觀測器增益矩陣, e是模型響應與實際響應之間的誤差,觀測器的狀态空間表達式為:
為了使誤差e趨于0,在圖4中加入PI參數調節算法,實作閉環控制。使用PI算法的估計轉速表達式為:
2 仿真結果
将矢量控制器的仿真模型建立為一個子子產品,命名為CPU,之後利用SimPowerSystems子產品集提供的豐富子產品,建立交流異步電機控制系統的整體仿真模型,如圖5所示。PWM生成器(PWM Generator)根據控制器輸出的三相期望電壓産生6路PWM脈沖,驅動橋式逆變器(UniversalBridge)産生電機的三相電壓,該電壓作用于感應電機的仿真模( Induc-tionMotor),電機的三相電流值濾波後回報給矢量控制器。
配置各子產品參數:PWM載波頻率指定為2kHz;設定電機模型為鼠籠型,極對數p=2,定子電阻Rs=0.435Ω,轉子電阻Rr=0.816Ω,定子漏感Lls=0.002H,轉子漏感Llr=0.002H,互感M=0.06931H,轉動慣量J=0.089kg·m2;控制器參數定子自感Ls=M+Lls,轉子自感Lr=M+Llr,觀測器增益H通過lqe函數求得。系統中用到了4個PI控制器:速度環, d、q軸電流,轉速估計,需要對它們進行整定。
為驗證控制器的靜、動态性能,系統空載啟動,在t=0.5s時突加負載T=50Nm,t=1s時将轉速給定由1000r/min降到500r/min。仿真得到的定子電流、轉速和轉矩波形如圖6~8所示。
由仿真波形可以看出,由于自适應磁鍊觀測器存在收斂的過程,從零初始條件啟動時有較大的超調,這種超調随着觀測器的收斂有所改善;t=0.5s時突加負載,轉速發生突降,但又恢複到平衡狀态;t=1s時轉速給定改變,轉速響應可以跟蹤給定,穩态運作時無靜差。仿真結果證明了本文給出的控制器模型是合理有效的。
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