RTX和TM4C微控制器的扭矩加載控制器設計

摘要：針對電渦流測功機的扭矩加載實(shí)驗問(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為功率驅動(dòng)器件，利用PI算法，采用RTX實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現了對電渦流測功機扭矩加載的閉環(huán)控制，并結合電渦流測功機進(jìn)行了扭矩加載實(shí)驗。實(shí)驗結果表明：該控制器具有加載性能好、結構簡(jiǎn)單及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應用價(jià)值。

引言

電渦流測功機主要用于測試發(fā)動(dòng)機的功率，也可作為齒輪箱、減速機、變速箱的加載設備，用于測試它們的傳遞功率。扭矩加載控制器的穩定性及測量的準確性將直接影響工程人員對結果的分析判斷。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(jìn)發(fā)動(dòng)機及其測控行業(yè)的發(fā)展。

近年來(lái)，ARM內核微控制器發(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內核，具備多個(gè)高精度定時(shí)器，可以輸出多路互補且帶有死區時(shí)間控制的PWM波形，滿(mǎn)足電渦流測功機的控制需求。

對于扭矩加載系統來(lái)說(shuō)，除了要求有強大的通用功能外，還需要其具有良好的實(shí)時(shí)性能，以滿(mǎn)足控制系統實(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)擴展平臺RTX是其中較為突出的一種。RTX修改并擴展了Windows系統的硬件抽象層(HAL)，形成與Windows操作系統并列的實(shí)時(shí)子系統，將原有系統的線(xiàn)程間切換時(shí)間消耗縮短到幾μs?？紤]到扭矩加載系統任務(wù)的復雜性，傳統的單任務(wù)循環(huán)式的程序控制模式難以滿(mǎn)足需求，本文采用嵌入式操作系統RTX實(shí)現扭矩加載控制，簡(jiǎn)化了系統設計。

1 系統總體方案設計

本系統采用的是蘭菱機電(海安)有限公司的DW16型電渦流測功機，其具有結構簡(jiǎn)單、轉動(dòng)慣量小、制動(dòng)力矩大、運行速度高、穩定性好、動(dòng)態(tài)響應快等優(yōu)點(diǎn)。 DW系列盤(pán)式電渦流測功機，主要用來(lái)測量動(dòng)力機械的特性，尤其是中小功率和微小功率的動(dòng)力加載測試，同時(shí)其也可作為其他動(dòng)力設備的吸功裝置。

扭矩加載控制器系統原理框圖如圖1所示。扭矩加載控制器根據上位機給定的扭矩指令，與實(shí)時(shí)采集的扭矩傳感器信號作對比，通過(guò)PI控制產(chǎn)生相應的PWM信號，輸入到電流驅動(dòng)模塊，從而實(shí)現對電渦流測功機的輸出扭矩的閉環(huán)控制。變頻器通過(guò)接收上位機給定的轉速指令，控制伺服電機的旋轉，從而控制電渦流測功機的轉速。除此之外，扭矩加載控制器還具備轉速檢測與電流檢測模塊，保證了系統運行的穩定性。

2 系統硬件設計

2.1 控制器硬件總體結構

現有的加載系統使用PLC與上位機進(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，使得系統通信延遲高達140 ms。其在實(shí)時(shí)性、可擴展性和智能化等方面存在局限性，難以保證系統的可靠運行，不能滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化控制不斷發(fā)展的要求。

控制器硬件總體結構圖如圖2所示。為了提高系統的開(kāi)放性，扭矩加載控制器硬件電路采用核心板加底板架構。由于扭矩加載系統的實(shí)時(shí)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具備強大的數據處理能力和高運行速度，滿(mǎn)足定時(shí)和通信要求，因此幾乎承擔了整個(gè)控制器全部的邏輯控制?？刂破鞯? ARM核心板即為T(mén)M4C的最小系統，其外設都以插座的形式預留給底板。底板電路由扭矩監測模塊、電流驅動(dòng)模塊、轉速監測模塊及TTL轉RS232串口模塊等部分組成。

2.2 電流驅動(dòng)模塊設計

電流驅動(dòng)電路如圖3所示?？紤]到系統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驅動(dòng)器為核心，設計了驅動(dòng)保護電路的方案。相比于傳統的大功率IGBT驅動(dòng)芯片，TX—KA962F驅動(dòng)器可由24 V單一電源供電，最高開(kāi)關(guān)頻率可達60 KHz，也可根據需要調節盲區時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間。一旦出現短路信號，驅動(dòng)器將軟關(guān)斷IGBT，封鎖輸入信號，提高了整個(gè)系統的穩定性與安全性。

雖然一定的PWM信號占空比對應一定的測功機負載，但由于PWM控制信號的占空比與測功機負載并不成比例，因此對驅動(dòng)電流大小進(jìn)行監測是很有必要的。電流監測模塊如圖4所示，采用霍爾電流傳感器ACS712，實(shí)現了對驅動(dòng)電流的高精度采集。

本系統采用的DW16型電渦流測功機，其額定電流為5 A。為保證系統的安全性與穩定性，需針對電路進(jìn)行過(guò)流保護。當TX—KA962F驅動(dòng)芯片14腳對12腳端的電壓大于所設定的保護閾值電壓時(shí)(即驅動(dòng)電流大于測功機額定電流時(shí))，芯片內部將進(jìn)行軟關(guān)斷，7腳輸出低電平報警信號，通過(guò)光耦將調理后的信號傳送給控制電路。故障信號監測模塊如圖5所示。

2.3 轉速監測模塊設計

在扭矩加載試驗系統中，轉速和扭矩是最關(guān)鍵的兩個(gè)參數，其測量精度極大地影響著(zhù)最終的控制效果。轉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值上與原動(dòng)機的轉速相同。轉速監測電路利用高速光耦TLP521實(shí)現信號的調理功能。

2.4 扭矩監測模塊設計

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

3 系統軟件設計

軟件開(kāi)發(fā)采用Keil軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境?；赗TX的程序設計是將一個(gè)大的應用程序分成多個(gè)相對獨立的任務(wù)來(lái)完成。定義好每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級后，RTX對這些任務(wù)進(jìn)行調度和管理。本程序設置系統時(shí)鐘節拍為50 Hz，共分為3個(gè)任務(wù)(task1、task2、task3)，優(yōu)先級分別為127、120、110，通過(guò)使用函數os_sys_init()、os_tsk_pass()、os_dly_wait()來(lái)實(shí)現各個(gè)任務(wù)之間的切換。

task1為扭矩控制任務(wù)，主要負責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(shí)1個(gè)節拍進(jìn)入就緒態(tài)，即20 ms執行一次;task2負責串口接收并解析上位機數據，并對轉速、扭矩和電流信號進(jìn)行測量，其延時(shí)2個(gè)節拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當于40 ms執行一次;task3為串口發(fā)送任務(wù)，其延時(shí)3個(gè)節拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當于60 ms執行一次。具體工作流程如圖6所示。

控制算法是控制系統的核心，直接決定了控制系統的控制精度與性能?？紤]到扭矩軸旋轉時(shí)存在不可消除的振動(dòng)，經(jīng)測試發(fā)現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(shí)，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)送的數據時(shí)需要對數據進(jìn)行驗證，具體接收通信協(xié)議如下所示：

由于控制參數往往需要根據經(jīng)驗反復整定，而且起初并不能確定其量級大小，為了快速方便地進(jìn)行控制參數整定，此處串口數據采取浮點(diǎn)數格式傳輸，相對于用整型數傳輸沒(méi)有精度損失。

4 實(shí)驗結果和分析

一般的反饋控制都存在穩態(tài)抗擾動(dòng)能力與動(dòng)態(tài)響應速度之間的矛盾，為了提高系統的調節速度，同時(shí)保證系統的超調、靜態(tài)調節精度與抗擾動(dòng)都在允許的范圍內，需通過(guò)大量實(shí)驗進(jìn)行PI參數整定。

實(shí)驗采用的電渦流傳感器功率為16 kW，最大轉速為13 000 r/min，額定電流為0～5 A。原扭矩加載系統的閉環(huán)響應曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可知，原系統存在的通信延遲和控制參數選擇不恰當等原因，導致其控制精度較低，不符合工程應用的要求。

在本控制器作用下，實(shí)驗結果曲線(xiàn)如圖8所示。對數據段中所存的數據進(jìn)行統計，可以得出如下的性能指標：系統扭矩閉環(huán)控制精度優(yōu)于2%，階躍響應穩定時(shí)間小于2 s，過(guò)渡比較平穩，到穩態(tài)時(shí)超調量較小。響應曲線(xiàn)存在波動(dòng)是因為電機旋轉使得設備臺面不可避免地有振動(dòng)，影響了傳感器的精度。由實(shí)驗結果的分析可知，該扭矩加載控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和控制精度，符合系統設計的要求。

結語(yǔ)

綜合考慮系統所需實(shí)現的功能、硬件的工作環(huán)境的基礎上，完成了基于RTX實(shí)時(shí)操作系統和基于A(yíng)RM的以TX—KA962F驅動(dòng)器為核心的扭矩加載控制器。設計中充分考慮系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題、電磁兼容問(wèn)題，提高了系統的可靠性。實(shí)驗表明，該扭矩加載控制器能較好地解決現有系統中存在的通信延遲問(wèn)題，且具備很好的動(dòng)、靜態(tài)性能。