RTX和TM4C微控制器的扭矩加載控制器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電渦流測(cè)功機(jī)的扭矩加載實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，開(kāi)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(qū)動(dòng)器件，利用PI算法，采用RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電渦流測(cè)功機(jī)扭矩加載的閉環(huán)控制，并結(jié)合電渦流測(cè)功機(jī)進(jìn)行了扭矩加載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制器具有加載性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

引言

電渦流測(cè)功機(jī)主要用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，也可作為齒輪箱、減速機(jī)、變速箱的加載設(shè)備，用于測(cè)試它們的傳遞功率。扭矩加載控制器的穩(wěn)定性及測(cè)量的準(zhǔn)確性將直接影響工程人員對(duì)結(jié)果的分析判斷。研制出控制品質(zhì)優(yōu)良的扭矩加載控制器，將提升國(guó)產(chǎn)測(cè)功機(jī)的技術(shù)水平，并促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其測(cè)控行業(yè)的發(fā)展。

近年來(lái)，ARM內(nèi)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(nèi)核，具備多個(gè)高精度定時(shí)器，可以輸出多路互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)時(shí)間控制的PWM波形，滿足電渦流測(cè)功機(jī)的控制需求。

對(duì)于扭矩加載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了要求有強(qiáng)大的通用功能外，還需要其具有良好的實(shí)時(shí)性能，以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣和實(shí)時(shí)通信的要求。在眾多實(shí)時(shí)軟件中，Windows實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)RTX是其中較為突出的一種。RTX修改并擴(kuò)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(shí)時(shí)子系統(tǒng)，將原有系統(tǒng)的線程間切換時(shí)間消耗縮短到幾μs?？紤]到扭矩加載系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的單任務(wù)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(shí)現(xiàn)扭矩加載控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是蘭菱機(jī)電(海安)有限公司的DW16型電渦流測(cè)功機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制動(dòng)力矩大、運(yùn)行速度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 DW系列盤式電渦流測(cè)功機(jī)，主要用來(lái)測(cè)量動(dòng)力機(jī)械的特性，尤其是中小功率和微小功率的動(dòng)力加載測(cè)試，同時(shí)其也可作為其他動(dòng)力設(shè)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(jù)上位機(jī)給定的扭矩指令，與實(shí)時(shí)采集的扭矩傳感器信號(hào)作對(duì)比，通過(guò)PI控制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，輸入到電流驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電渦流測(cè)功機(jī)的輸出扭矩的閉環(huán)控制。變頻器通過(guò)接收上位機(jī)給定的轉(zhuǎn)速指令，控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而控制電渦流測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速。除此之外，扭矩加載控制器還具備轉(zhuǎn)速檢測(cè)與電流檢測(cè)模塊，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的加載系統(tǒng)使用PLC與上位機(jī)進(jìn)行通信，這是一個(gè)間接的通信過(guò)程，必須通過(guò)OPC服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，使得系統(tǒng)通信延遲高達(dá)140 ms。其在實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)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(yùn)行，不能滿足工業(yè)自動(dòng)化控制不斷發(fā)展的要求。

控制器硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。為了提高系統(tǒng)的開(kāi)放性，扭矩加載控制器硬件電路采用核心板加底板架構(gòu)。由于扭矩加載系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，因此必須選擇運(yùn)算速度快且可靠性高的處理器。TM4C具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，滿足定時(shí)和通信要求，因此幾乎承擔(dān)了整個(gè)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(shè)都以插座的形式預(yù)留給底板。底板電路由扭矩監(jiān)測(cè)模塊、電流驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊及TTL轉(zhuǎn)RS232串口模塊等部分組成。

2.2 電流驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電流驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器為核心，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的方案。相比于傳統(tǒng)的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，TX—KA962F驅(qū)動(dòng)器可由24 V單一電源供電，最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)60 KHz，也可根據(jù)需要調(diào)節(jié)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間。一旦出現(xiàn)短路信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將軟關(guān)斷IGBT，封鎖輸入信號(hào)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

雖然一定的PWM信號(hào)占空比對(duì)應(yīng)一定的測(cè)功機(jī)負(fù)載，但由于PWM控制信號(hào)的占空比與測(cè)功機(jī)負(fù)載并不成比例，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)是很有必要的。電流監(jiān)測(cè)模塊如圖4所示，采用霍爾電流傳感器ACS712，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的高精度采集。

本系統(tǒng)采用的DW16型電渦流測(cè)功機(jī)，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(duì)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。當(dāng)TX—KA962F驅(qū)動(dòng)芯片14腳對(duì)12腳端的電壓大于所設(shè)定的保護(hù)閾值電壓時(shí)(即驅(qū)動(dòng)電流大于測(cè)功機(jī)額定電流時(shí))，芯片內(nèi)部將進(jìn)行軟關(guān)斷，7腳輸出低電平報(bào)警信號(hào)，通過(guò)光耦將調(diào)理后的信號(hào)傳送給控制電路。故障信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊如圖5所示。

2.3 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在扭矩加載試驗(yàn)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和扭矩是最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)，其測(cè)量精度極大地影響著最終的控制效果。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用歐姆龍公司的EE—SX672型傳感器，接收的脈沖信號(hào)頻率在數(shù)值上與原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)電路利用高速光耦TLP521實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)理功能。

2.4 扭矩監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電渦流測(cè)功機(jī)擺動(dòng)部分通過(guò)測(cè)力臂架把偏轉(zhuǎn)力作用在TJL-1S型拉力傳感器上，由它轉(zhuǎn)換成與扭矩大小成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD623電壓信號(hào)進(jìn)行放大，傳送給TM4C的A/D輸入通道進(jìn)行采集與處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)采用Keil軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境?；赗TX的程序設(shè)計(jì)是將一個(gè)大的應(yīng)用程序分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)完成。定義好每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)后，RTX對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。本程序設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍為50 Hz，共分為3個(gè)任務(wù)(task1、task2、task3)，優(yōu)先級(jí)分別為127、120、110，通過(guò)使用函數(shù)os_sys_init()、os_tsk_pass()、os_dly_wait()來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)之間的切換。

task1為扭矩控制任務(wù)，主要負(fù)責(zé)PI控制及檢測(cè)故障信號(hào)，一旦檢測(cè)到低電平故障信號(hào)，則輸出占空比為0的PWM控制信號(hào)，其延時(shí)1個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒態(tài)，即20 ms執(zhí)行一次;task2負(fù)責(zé)串口接收并解析上位機(jī)數(shù)據(jù)，并對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩和電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其延時(shí)2個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當(dāng)于40 ms執(zhí)行一次;task3為串口發(fā)送任務(wù)，其延時(shí)3個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當(dāng)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。考慮到扭矩軸旋轉(zhuǎn)時(shí)存在不可消除的振動(dòng)，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)只需采用比例和積分控制就可以達(dá)到較好的效果，因此最終采用了增量式PI控制算法。同時(shí)，為了避免扭矩測(cè)量噪聲的影響，軟件中對(duì)反饋信號(hào)加了慣性濾波。

扭矩加載控制器在接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，具體接收通信協(xié)議如下所示：

由于控制參數(shù)往往需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)整定，而且起初并不能確定其量級(jí)大小，為了快速方便地進(jìn)行控制參數(shù)整定，此處串口數(shù)據(jù)采取浮點(diǎn)數(shù)格式傳輸，相對(duì)于用整型數(shù)傳輸沒(méi)有精度損失。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

一般的反饋控制都存在穩(wěn)態(tài)抗擾動(dòng)能力與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度之間的矛盾，為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，同時(shí)保證系統(tǒng)的超調(diào)、靜態(tài)調(diào)節(jié)精度與抗擾動(dòng)都在允許的范圍內(nèi)，需通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行PI參數(shù)整定。

實(shí)驗(yàn)采用的電渦流傳感器功率為16 kW，最大轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)選擇不恰當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致其控制精度較低，不符合工程應(yīng)用的要求。

在本控制器作用下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖8所示。對(duì)數(shù)據(jù)段中所存的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得出如下的性能指標(biāo)：系統(tǒng)扭矩閉環(huán)控制精度優(yōu)于2%，階躍響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間小于2 s，過(guò)渡比較平穩(wěn)，到穩(wěn)態(tài)時(shí)超調(diào)量較小。響應(yīng)曲線存在波動(dòng)是因?yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)使得設(shè)備臺(tái)面不可避免地有振動(dòng)，影響了傳感器的精度。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，該扭矩加載控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和控制精度，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

結(jié)語(yǔ)

綜合考慮系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能、硬件的工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，完成了基于RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和基于ARM的以TX—KA962F驅(qū)動(dòng)器為核心的扭矩加載控制器。設(shè)計(jì)中充分考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，且具備很好的動(dòng)、靜態(tài)性能。