伺服控制MBD開發(fā)平臺

2024年3月1日發(fā)(作者：春節(jié)作文200字)

伺服控制MBD開發(fā)平臺

1 概述

伺服控制MBD開發(fā)平臺是由北京靈思創(chuàng)奇研制，基于MBD（Model Bad

Design）設(shè)計思路，運(yùn)用數(shù)字仿真和半實物仿真等手段，輔助伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)。該平臺的典型用途包括：

1) 能夠進(jìn)行伺服驅(qū)動控制方法研究（矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、SPWM、SVPWM）、控制算法研究（傳統(tǒng)PI控制、分?jǐn)?shù)階控制、自抗擾控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、反步控制等），參數(shù)辨識（最小二乘、相關(guān)辨識等）和自整定技術(shù)研究及其應(yīng)用，以及無位置傳感器控制技術(shù)研究及應(yīng)用等；

2) 能夠進(jìn)行伺服系統(tǒng)性能考核或評測；

3) 能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和曲線繪制等，為測試報告和論文編寫提供材料支撐。

2 系統(tǒng)基本組成

實時仿真器

三相交流及母線電壓信號

單相220V市電輸入電機(jī)旋變信號

功率回路驅(qū)動三相動力輸出

PWM及保護(hù)信號PMSM（伺服電機(jī)）圖1 PMSM伺服電機(jī)半實物開發(fā)平臺基本連接圖

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伺服控制半實物開發(fā)平臺主要包括三個部分：實時仿真器、伺服電機(jī)、功率回路驅(qū)動。

2.1 功率回路驅(qū)動

2.1.1 功率主電路

主要包含整流橋、軟啟動電路、制動電路（泄放電路）、緩沖電路、直流母線濾波電路、功率模塊（IPM、MOSFET、IGBT）等。功率主電路的輸入可根據(jù)具體使用要求選擇使用三相220VAC、單相220VAC、三相380VAC，以及選配專用的3U或6U機(jī)柜式直流功率電源供電。其中IGBT的主要應(yīng)用在IPM電流無法涵蓋的情況，或降低系統(tǒng)成本，但保護(hù)功能實現(xiàn)較為復(fù)雜；MOSFET適用于低壓情況；IPM適用于高壓情況。

2.1.2 檢測及信號調(diào)理電路

主要包括檢測三相電流檢測和母線電壓檢測及其信號調(diào)理，以及RDC/SDC激磁電源生成等。而RDC/SDC采用專用解碼板卡完成角度檢測和角速度計算。

2.1.3 保護(hù)電路（機(jī)制）

包括過流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、欠壓保護(hù)（UV）、過壓保護(hù)（OV）、開關(guān)管過溫保護(hù)（OT）。

2.2 伺服電機(jī)

2.2.1 實體電機(jī)

所用電機(jī)適用于光電云臺、武器跟蹤操瞄、電動舵機(jī)、機(jī)器人、電動車等各種領(lǐng)域，如各種功率等級的交流永磁同步電機(jī)（PMSM）、交流異步電機(jī)、直流力矩電機(jī)、正弦波驅(qū)動的力矩電機(jī)（低速大轉(zhuǎn)矩的PMSM）、永磁直流電機(jī)，以及開關(guān)磁阻電機(jī)等，其中包括三相電機(jī)、五相、多相特種電機(jī)等。

2.2.2 數(shù)字電機(jī)

數(shù)字電機(jī)是一組高精度電機(jī)數(shù)學(xué)模型庫，可以在FPGA上執(zhí)行，用于伺服控制器的HIL（hardware-in-the-loop）測試。首先，采集控制器輸出的PWM驅(qū)動信號；2

然后，在FPGA上運(yùn)行的某種特定電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并將電機(jī)模型的電流、電角度等通過DA、CDR/CDS反相變化；最后，將FPGA輸出信號調(diào)理成真實控制器所要求的反饋輸入信號。數(shù)字電機(jī)可用于快速原型控制器的RCP驗證（主要驗證控制算法和數(shù)據(jù)接口），也可用戶實際控制器的HIL測試（可驗證真實控制器的電機(jī)控制性能）。

通過數(shù)字電機(jī)的接入，可在沒有實際的被控對象前完成控制器設(shè)計和評估。同時避免了控制系統(tǒng)在未完善前，對功率回路通電由于控制不當(dāng)所造成硬件損壞，從而提高系統(tǒng)研制或開發(fā)的效率。

2.3 實時仿真器

圖2 實時仿真器外觀圖

Links-Box實時仿真器是一款小型化的半實物仿真設(shè)備，性能強(qiáng)大、接口豐富。既能滿足試驗室環(huán)境下使用，也能應(yīng)用于現(xiàn)場寬溫、震動等惡劣環(huán)境。

典型配置如下：

CPU

硬盤

內(nèi)存

PCI插槽

重量

體積

工作環(huán)境

Intel? Core? i5 2.7GHz雙核處理器

500G SATA接口硬盤

4G DDR3 SDRAM

4個

4.0 kg

164 mm (W) x 225 mm (D) x 180 mm (H)

溫度：-20°C ~ 60°C；

濕度：10%~90%，無凝結(jié)；

抗震：5Grms；

抗沖擊：50Grms

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基本IO通道 ?

?

?

?

?

?

16路單端或8路差分A/D；

1通道16位通用定時器/計數(shù)器；

16通道DI及16通道DO；

2通道12位多路DA；

4通道RS232/422/485串口；

2通道CAN接口。

電機(jī)控制卡：支持6路帶死區(qū)時間設(shè)置的PWM輸出；

RDC卡：2路旋變信號采集和模擬，支持出粗精組合，16位分辨率；

電機(jī)仿真卡：基于FPGA，實現(xiàn)電機(jī)和驅(qū)動器模型的高速解算。

電機(jī)專用IO ?

?

?

3 系統(tǒng)選配組件

3.1 位置閉環(huán)

可根據(jù)需要選擇旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、光電編碼器、精密電位計等、減速機(jī)構(gòu)夠成伺服系統(tǒng)位置跟蹤閉環(huán)。

3.2 力矩加載裝置

可根據(jù)具體應(yīng)用和要求選擇電機(jī)直接力矩加載，電液加載等，力矩加載頻率范圍可在3Hz-25HZ，可設(shè)定加載力矩曲線，慣性負(fù)載可調(diào)，也可模擬傳動系統(tǒng)的齒隙、摩擦等非線性。

3.3 伺服驅(qū)動故障診斷與重構(gòu)

可完成對電機(jī)、功率橋、電流傳感器、電機(jī)軸角度傳感器器的狀態(tài)進(jìn)行自監(jiān)控，通過滑模觀測對其故障進(jìn)行定位和判斷，通過系統(tǒng)硬件的冗余設(shè)計對故障進(jìn)行重構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4 系統(tǒng)自動測量和狀態(tài)監(jiān)控

可對平臺的控制電壓、功率母線電壓、電機(jī)線電流、相電壓、線電壓、PWM輸出、電機(jī)電角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出力矩、指令等進(jìn)行測量，并顯示。可產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等信號。配有高精度AD采集，有專用信號處理的模塊，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行頻譜分析。

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3.5 EMC加強(qiáng)設(shè)計

伺服系統(tǒng)屬于功率電子，產(chǎn)生較大的EMC干擾，對使用環(huán)境中其他設(shè)備將產(chǎn)生不良影響，尤其功率越大情況越甚。對該控制仿真系統(tǒng)的采取了必要的EMC自兼容設(shè)計，保證該系統(tǒng)自身運(yùn)行正常。而對特殊EMC需求，采取特別的措施抑制功率回路的共模干擾和差模干擾，以及設(shè)計高性能的電源濾波器和信號適配性較好的信號濾波板，對EMC的傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行抑制。

3.6 特殊系統(tǒng)設(shè)計

3.6.1 光電云臺跟蹤系統(tǒng)

采用力矩電機(jī)，可定制雙軸、三軸穩(wěn)定跟蹤平臺，可配置光電跟蹤系統(tǒng)、6自由度干擾平臺、目標(biāo)模擬器等。

3.6.2 電動舵機(jī)

采用永磁直流電機(jī)，根據(jù)不同的彈徑和性能要求，定制電動舵機(jī)，可配置舵機(jī)加載裝置。

3.6.3 武器戰(zhàn)火力線跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

采用力矩伺服和高速伺服電機(jī)+減速機(jī)構(gòu)方案構(gòu)成高低向、方位向的雙軸穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，可配置6自由度干擾平臺。

3.6.4 電動推進(jìn)和電直驅(qū)系統(tǒng)

可選用特制電機(jī)，完成陸地、水下專用系統(tǒng)的定制。

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4 開發(fā)平臺工作原理

系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)集成測試快速控制原型RCP硬件在回路測試HIL產(chǎn)品實現(xiàn)

圖3 伺服控制系統(tǒng)“V型”開發(fā)流程

如上圖所示的伺服控制“V型”開發(fā)流程，區(qū)別于傳統(tǒng)開發(fā)方式有如下明顯區(qū)別：

? 基于MBD（Model Bad Design）的設(shè)計思路貫穿系統(tǒng)開發(fā)的始終；

? 通過數(shù)字仿真和半實物仿真手段，在系統(tǒng)開發(fā)的各階段快速驗證設(shè)計成果，盡早暴露設(shè)計缺陷，加快系統(tǒng)迭代速度。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計早期，基于Matlab/Simulink等圖形化工具來進(jìn)行控制方案的設(shè)計并進(jìn)行離線仿真。通過這種計算機(jī)輔助設(shè)計方式，可以直觀獲取系統(tǒng)設(shè)計效果，可以方便的實現(xiàn)不同設(shè)計方案的比對，同時避免文傳統(tǒng)字說明的模糊性和理解性錯誤。

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圖4 圖形化建模及離線仿真

4.2 快速控制原型RCP

按現(xiàn)代設(shè)計方法，方案設(shè)計結(jié)束后，無須再象過去那樣要花極大的耐心等待軟件工程師進(jìn)行手工編程，再由電子工程師將代碼集成于硬件電路中，而是利用計算機(jī)輔助設(shè)計工具自動將控制方案框圖轉(zhuǎn)換為代碼并自動下載到硬件開發(fā)平臺中，從而快速實現(xiàn)控制系統(tǒng)的原型，并且包括了實際系統(tǒng)中可能包括的各種I/O，軟件及硬件中斷等實時特性。之后，就可以利用計算機(jī)輔助試驗測試管理工具軟件進(jìn)行各種試驗，以檢驗控制方案對實際對象的控制效果，并隨時修改控制參數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果為止。即使是模型需要相當(dāng)大的修改，從修改到下一次對原型的測試的也只需要幾分鐘的時間，而這幾分鐘的時間僅僅是鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作和等待的時間而已。從而在最終實現(xiàn)控制方案之前，就已經(jīng)對可能得到的結(jié)果有了相當(dāng)?shù)陌盐眨苊饬诉^多的資源浪費(fèi)和時間消耗。

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圖5 控制器快速原型（RCP）

4.3 產(chǎn)品代碼實現(xiàn)

在完成快速控制原型（RCP的）的開發(fā)后，就可以借助功能強(qiáng)大的自動代碼生成工具進(jìn)行產(chǎn)品控制C代碼的生成，以便快速完成產(chǎn)品控制器的開發(fā)。在這個階段，可采用產(chǎn)品級代碼生成工具將RCP階段開發(fā)完成的算法模型直接生成DSP控制器所需的C代碼。

圖6 DSP目標(biāo)代碼生成

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4.4 硬件在回路測試HIL

硬件在回路測試(HIL)是一種可行的計算機(jī)輔助測試方法，通過HIL可以在虛擬環(huán)境中對新開發(fā)的伺服控制器實物進(jìn)行大量測試，而無需真實的驅(qū)動電路和電機(jī)實物。這種測試系統(tǒng)實時性強(qiáng)，而且非常安全，即使測試中超過極限條件，也不會造成任何損壞。此外，不論何時，只要需要就可以重現(xiàn)控制器的錯誤。

硬件在回路仿真的優(yōu)勢是明顯的：它可以在開發(fā)早期就提高產(chǎn)品的質(zhì)量。一家著名的日本車輛制造商曾高度評價硬件在回路仿真的作用，他們說：硬件在回路測試可以發(fā)現(xiàn)90﹪的控制器錯誤，而且?guī)缀跛械腻e誤都可以在標(biāo)定之前發(fā)現(xiàn)。

圖7 硬件在回路測試（HIL）

4.5 系統(tǒng)集成測試

作為伺服控制系統(tǒng)開發(fā)的最后階段，將控制器、功率回路驅(qū)動和伺服電機(jī)進(jìn)行全實物系統(tǒng)集成，按照系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)逐項測試系統(tǒng)的最終工作性能。

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