自制嵌入式運(yùn)動(dòng)控制學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)

李永越，劉潤杭，郝赫，周玉，呂佳奇，馬駿杰

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東威海 264300）

專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生尤其是理工科大學(xué)生綜合能力和提高理工科大學(xué)生綜合素質(zhì)的最重要手段之一。隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，以及學(xué)科發(fā)展和專業(yè)調(diào)整，專業(yè)知識(shí)更新較快、專業(yè)教學(xué)內(nèi)容變化較大，需不斷創(chuàng)新和解決的問題較多，培養(yǎng)專業(yè)實(shí)踐技能的儀器設(shè)備需要不斷更新。高?，F(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理運(yùn)行機(jī)制和專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備等條件，普遍難以滿足專業(yè)實(shí)踐綜合動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的要求，與高校高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的矛盾日顯突出[1-2]，因此，需自主研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備來提升專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)路線

項(xiàng)目組將采用先進(jìn)、可行的研究方法和步驟。遵循圖1 所示的技術(shù)路線進(jìn)行研究。

圖1 技術(shù)路線

1.2 基于Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

Matlab 作為自動(dòng)化、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)主要的虛擬仿真環(huán)境，在項(xiàng)目開發(fā)時(shí)為工程師節(jié)省了很多時(shí)間[6-7]，將虛擬環(huán)境下的仿真模型無縫地切換到真實(shí)的數(shù)字平臺(tái)運(yùn)行是目前研究的重點(diǎn)。不少高校及研究單位已經(jīng)購買了基于F28x 的虛擬仿真環(huán)境，但價(jià)格極其昂貴，不具備推廣性，因此，自主開發(fā)一套便于實(shí)現(xiàn)和推廣的基于Matlab 虛擬環(huán)境下的數(shù)字化代碼仿真平臺(tái)迫在眉睫。

基于正在進(jìn)行的國家級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目《全數(shù)字可視化異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)》（項(xiàng)目號(hào)：201910214004）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化Matlab 虛擬代碼仿真在電力電子數(shù)字化開發(fā)中的應(yīng)用技術(shù)。利用已搭建的開放式Matlab 虛擬環(huán)境直接仿真DSP 真實(shí)代碼，模擬DSP 代碼在硬件中的執(zhí)行情況。優(yōu)化建立CCS 與Matlab 關(guān)于COFF 格式文件間的數(shù)據(jù)傳輸通道及M語言與C 語言之間的邏輯?；驹砣缦拢?/p>

DSP 盒以Matlab 的S-Function Block 為 基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬構(gòu)建，并且加以封裝，使用固化的外部輸入輸出信號(hào)作通道，將虛擬DSP 與代碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)。即代碼編譯通過后將可執(zhí)行文件（.out）直接加載到Matlab的模型中進(jìn)行仿真。這種做法的優(yōu)點(diǎn)很明顯，仿真時(shí)只需修改目標(biāo)代碼，通過后該代碼可直接用于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)；由于信號(hào)已經(jīng)同固化函數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，數(shù)學(xué)模型就像黑盒。

1.3 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建

嵌入式運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)以DSP 為核心，搭建數(shù)字化控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離的分離式結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)器件避免了SCR 等電流控制器件體積大、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，采用高壓、大電流壓控式IGBT，以減少硬件系統(tǒng)的體積，提高硬件系統(tǒng)的功率密度。主電路采用電力電子中主流的交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；加載SPWM、SVPWM、VVVF 等控制算法，通過外部調(diào)頻調(diào)速按鈕，實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

1.3.1 基于IR2110的自舉電路

采用常規(guī)的光電隔離和變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，有一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是需要輔助電源。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)IGBT 或MOSFET 等功率器件時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要考慮上橋驅(qū)動(dòng)電源的浮地問題[8-9]。解決這個(gè)問題有兩種方法：一種是多電源驅(qū)動(dòng)方式，缺點(diǎn)是增加了電源數(shù)量，增加了成本；另一種是采用自舉技術(shù)，如圖2 所示。

圖2 自舉電路

當(dāng)上管V1關(guān)斷，下管V4導(dǎo)通時(shí)，N點(diǎn)電位為＋15 V電源，M 點(diǎn)為＋15 V，若忽略二極管D1的導(dǎo)通壓降，則自舉電容C5的電壓為＋15 V；而當(dāng)上管V1導(dǎo)通，下管V4關(guān)斷時(shí)M 點(diǎn)的電壓為Vdc，而N 點(diǎn)電位由于自舉電容C5電壓不能瞬變，N點(diǎn)瞬時(shí)電位為（Vdc＋15）V，則自舉二極管D1承受反壓關(guān)斷，從而保護(hù)＋15 V 電源。自舉二極管需采用高耐壓的快速恢復(fù)二極管，該例中D1采用FR107（反向耐壓700 V，1 A）。自舉電容C5需采用較大電容值（系統(tǒng)取為100 μF），在載波頻率為20 kHz 的條件下自舉電容的電壓波動(dòng)不超過100 mV，從而保證上橋功率開關(guān)管能夠安全、可靠地運(yùn)行[10-12]。

IR2110 的優(yōu)點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

1）自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)器件,可驅(qū)動(dòng)500 V 主電路系統(tǒng),工作頻率高，能達(dá)到500 kHz；

2）驅(qū)動(dòng)電路簡單，典型應(yīng)用電路如圖3 所示，圖中采用5～20 V 電源（VDD），用于TTL 和CMOS 邏輯信號(hào)輸入，圖中VCC為門極驅(qū)動(dòng)電源，一般在10～20 V 左右。COM 與VSS的連接使VDD與VCC可共用同一個(gè)典型值為＋15 V 的電源，為后者起到了良好的路徑。

圖3 IR2110典型應(yīng)用電路

在圖2 中，C2是一個(gè)自舉電容器，VCC給D1、C2、負(fù)載、VT2充電，以確保T1管的柵極通過由C2提供的能量來驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自舉驅(qū)動(dòng)。由此可見，T1在周期內(nèi)，每開關(guān)一次，C2就會(huì)受到影響，并且會(huì)在同周期內(nèi)通過T2開關(guān)充電一次，由此可見，輸入信號(hào)HIN、LIN 的PWM 脈沖頻率和脈沖寬度也會(huì)通過每個(gè)周期的開關(guān)，進(jìn)而影響自舉電容C2的充電。當(dāng)PWM 在低頻下工作時(shí)，T1導(dǎo)通的脈寬較窄時(shí)，很容易滿足自舉電壓8.3 V；反之，則無法實(shí)現(xiàn)自舉。因此，必須合理設(shè)置PWM 開關(guān)頻率和占空比的調(diào)整范圍。實(shí)際，自舉電容上的電壓僅為電源電壓VCC，電荷以及最長的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)限制電容[13-16]。

1.3.2 簡化SVPWM發(fā)波算法

傳統(tǒng)SVPWM 算法需坐標(biāo)變化和復(fù)雜的運(yùn)算，經(jīng)研究，提出了一種偏置的SVPWM發(fā)波算法，原理如下：

為了新的發(fā)波算法，首先將偏置電壓voffset(t)與式（1）相電壓結(jié)合，波形如圖4 所示。

圖4 加入偏置電壓所得波形

在三相給定為正弦波的情況下擬合出三次諧波，如圖5 所示。陰影部分就是通過三相平衡正弦波擬合出的偏置電壓。

圖5 voffset(t)的生成

同理，先取三相載波電壓的最大值和最小值，如式（3）所示：

電壓偏置分量如式（4）：

由此，可以得到新穎的偏置型PWM 發(fā)波算法控制框圖，如圖6 所示，仿真模型如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖6 偏置型PWM發(fā)波算法控制框圖

圖7 仿真模型

圖8 仿真結(jié)果

1.4 控制器的小型化、全數(shù)字化、便攜式的研究

在已經(jīng)結(jié)項(xiàng)的國家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃《虛擬環(huán)境下DSP 真實(shí)代碼仿真技術(shù)在三相四橋臂電路中的研究》(項(xiàng)目號(hào)：201710214018)的基礎(chǔ)上開發(fā)下一代控制裝置。充分發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，通過軟件方式合理高效地利用片上資源，減少硬件設(shè)計(jì)成本。除此之外，DSP和FPGA 具有靈活多變的代碼燒錄、軟件升級(jí)方式，不僅可以現(xiàn)場升級(jí)代碼，還可以在異地通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式進(jìn)行升級(jí)，為系統(tǒng)提供了多種保障。

1.5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)優(yōu)勢

2.1 優(yōu)化電路布局

將信號(hào)級(jí)與功率級(jí)電路進(jìn)行優(yōu)化布局，并將DSP 最小系統(tǒng)與主控板設(shè)計(jì)成可插拔結(jié)構(gòu)，推出了適合主控板的F28335 產(chǎn)品和F28004 產(chǎn)品。

2.2 加強(qiáng)系統(tǒng)集成

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在硬件電路的設(shè)計(jì)中采用集成化、口袋化設(shè)計(jì)，例如采用“自舉電路”設(shè)計(jì)，將前兩代產(chǎn)品中所需的體積龐大的IGBT 驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了集成。在整套系統(tǒng)尺寸大小不足B5 紙的情況下依舊滿足實(shí)驗(yàn)要求，電機(jī)調(diào)速功率達(dá)到2 kW。

2.3 采用虛擬仿真技術(shù)提升效率

為加速軟件開發(fā)，該系統(tǒng)配套開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DSP 真實(shí)代碼仿真技術(shù)。通過在Matlab中建立的C28x 內(nèi)核，直接模擬DSP 代碼在硬件中輸出波形，通過Matlab 觀測波形，進(jìn)而使DSP 中的程序得到可觀的驗(yàn)證。

2.4 打造開放式系統(tǒng)

該系統(tǒng)提供多套控制代碼，在硬件上預(yù)留了可選通逆變器、LC 濾波器及傳感器的接口，為用戶提供了并網(wǎng)逆變器控制的硬件平臺(tái)。此外該系統(tǒng)還支持多類型電機(jī)接口、并引出DSP 片上所有的88 路GPIO 信號(hào)，為用戶提供了二次開發(fā)的可能。

2.5 更利于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板是“三合一教學(xué)板”，既可以滿足基本DSP 教學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如，GPIO 實(shí)驗(yàn)、串口實(shí)驗(yàn)、CAN 收發(fā)實(shí)驗(yàn)、ADC 實(shí)驗(yàn)、SPWM 算法以及按鍵輸入實(shí)驗(yàn)，也能進(jìn)行三相逆變實(shí)驗(yàn)、異步電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)能夠讓實(shí)驗(yàn)和教學(xué)平臺(tái)得到融合，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解更加深入，讓教學(xué)內(nèi)容更加豐富。自制嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既可以滿足現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的需要，又能融合到現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)中，能讓學(xué)生體驗(yàn)到設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)方案，親自動(dòng)手解決問題，能夠讓學(xué)習(xí)更加具有系統(tǒng)性。利用專業(yè)所學(xué)，在實(shí)踐中務(wù)實(shí)理論知識(shí)，提高專業(yè)素質(zhì)，為今后的學(xué)習(xí)和工作沉淀經(jīng)驗(yàn)。因此，根據(jù)自身需要研制出開放、靈活的教學(xué)儀器供學(xué)生使用，更有利于人才的培養(yǎng)。

該項(xiàng)目以自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器為背景，通過搭建開放式Matlab 虛擬環(huán)境DSP 真實(shí)代碼仿真平臺(tái)，利用新穎的SVPWM 發(fā)波算法，以主流DSP 為核心構(gòu)建嵌入式運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于IR2110 的“自舉電路”，解決了橋驅(qū)動(dòng)電源的浮地問題，并且具有小型化、全數(shù)字化、可視化、便攜式的優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生在實(shí)踐探索中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。且該嵌入式運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)開發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)用于我校電氣工程專業(yè)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，性能穩(wěn)定且反饋良好。該系統(tǒng)還可用于《電力電子技術(shù)》、《電源變換技術(shù)》、《DSP 原理與應(yīng)用》、《電動(dòng)汽車新技術(shù)》等多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)儀器和專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，值得推廣。