RTX和TM4C微控制器的扭矩加載控制器設(shè)計

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(qū)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(jié)合電渦流測功機進行了扭矩加載實驗。實驗結(jié)果表明：該控制器具有加載性能好、結(jié)構(gòu)簡單及可靠性高等優(yōu)點，具有較高的工程應(yīng)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(shè)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(zhǔn)確性將直接影響工程人員對結(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，將提升國產(chǎn)測功機的技術(shù)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(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(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實現(xiàn)扭矩加載控制，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、制動力矩大、運行速度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)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(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(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，輸入到電流驅(qū)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(zhuǎn)速指令，控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)，從而控制電渦流測功機的轉(zhuǎn)速。除此之外，扭矩加載控制器還具備轉(zhuǎn)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(shè)計

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與上位機進行通信，這是一個間接的通信過程，必須通過OPC服務(wù)器進行中轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)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(gòu)。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(shù)據(jù)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(dān)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(shè)都以插座的形式預(yù)留給底板。底板電路由扭矩監(jiān)測模塊、電流驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊及TTL轉(zhuǎn)RS232串口模塊等部分組成。

2.2 電流驅(qū)動模塊設(shè)計

電流驅(qū)動電路如圖3所示。考慮到系統(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)動器為核心，設(shè)計了驅(qū)動保護電路的方案。相比于傳統(tǒng)的大功率IGBT驅(qū)動芯片，TX—KA962F驅(qū)動器可由24 V單一電源供電，最高開關(guān)頻率可達60 KHz，也可根據(jù)需要調(diào)節(jié)盲區(qū)時間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動的時間。一旦出現(xiàn)短路信號，驅(qū)動器將軟關(guān)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(yīng)一定的測功機負(fù)載，但由于PWM控制信號的占空比與測功機負(fù)載并不成比例，因此對驅(qū)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(qū)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(dāng)TX—KA962F驅(qū)動芯片14腳對12腳端的電壓大于所設(shè)定的保護閾值電壓時(即驅(qū)動電流大于測功機額定電流時)，芯片內(nèi)部將進行軟關(guān)斷，7腳輸出低電平報警信號，通過光耦將調(diào)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(zhuǎn)速監(jiān)測模塊設(shè)計

在扭矩加載試驗系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和扭矩是最關(guān)鍵的兩個參數(shù)，其測量精度極大地影響著最終的控制效果。轉(zhuǎn)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(shù)值上與原動機的轉(zhuǎn)速相同。轉(zhuǎn)速監(jiān)測電路利用高速光耦TLP521實現(xiàn)信號的調(diào)理功能。

2.4 扭矩監(jiān)測模塊設(shè)計

電渦流測功機擺動部分通過測力臂架把偏轉(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，經(jīng)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(shè)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(shè)計是將一個大的應(yīng)用程序分成多個相對獨立的任務(wù)來完成。定義好每個任務(wù)的優(yōu)先級后，RTX對這些任務(wù)進行調(diào)度和管理。本程序設(shè)置系統(tǒng)時鐘節(jié)拍為50 Hz，共分為3個任務(wù)(task1、task2、task3)，優(yōu)先級分別為127、120、110，通過使用函數(shù)os_sys_init()、os_tsk_pass()、os_dly_wait()來實現(xiàn)各個任務(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(fù)責(zé)串口接收并解析上位機數(shù)據(jù)，并對轉(zhuǎn)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(dāng)于40 ms執(zhí)行一次;task3為串口發(fā)送任務(wù)，其延時3個節(jié)拍進入就緒態(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?？紤]到扭矩軸旋轉(zhuǎn)時存在不可消除的振動，經(jīng)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(shù)據(jù)時需要對數(shù)據(jù)進行驗證，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)驗反復(fù)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(shù)整定，此處串口數(shù)據(jù)采取浮點數(shù)格式傳輸，相對于用整型數(shù)傳輸沒有精度損失。

4 實驗結(jié)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(yīng)速度之間的矛盾，為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，同時保證系統(tǒng)的超調(diào)、靜態(tài)調(diào)節(jié)精度與抗擾動都在允許的范圍內(nèi)，需通過大量實驗進行PI參數(shù)整定。

實驗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，實驗結(jié)果曲線如圖8所示。對數(shù)據(jù)段中所存的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，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)定時間小于2 s，過渡比較平穩(wěn)，到穩(wěn)態(tài)時超調(diào)量較小。響應(yīng)曲線存在波動是因為電機旋轉(zhuǎn)使得設(shè)備臺面不可避免地有振動，影響了傳感器的精度。由實驗結(jié)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(shè)計的要求。

結(jié)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(chǔ)上，完成了基于RTX實時操作系統(tǒng)和基于ARM的以TX—KA962F驅(qū)動器為核心的扭矩加載控制器。設(shè)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。