“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”金課建設(shè)的實(shí)踐與探索

包廣清 張 萍 王樹東 杜赫軒

(1. 西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 成都 610500)

(2. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院, 蘭州 730050)

以學(xué)生發(fā)展為中心,是世界高等教育共同的理念,課程是解決這個(gè)理念落地的“最后一公里”[1]。因此,以“金課”建設(shè)為抓手,培養(yǎng)專業(yè)技能高、創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)的人才必然成為每位高校教師應(yīng)該關(guān)注的事情[2]。

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是本科自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課,內(nèi)容涉及“電機(jī)學(xué)”“自動(dòng)控制原理”“電力電子技術(shù)”“信號(hào)檢測(cè)與處理”“計(jì)算機(jī)控制”“電機(jī)拖動(dòng)”等課程,并具有相互銜接、滲透和補(bǔ)充的特性[3]。然而,受教學(xué)資源的約束導(dǎo)致課程班級(jí)人數(shù)多,教師注重了理論知識(shí)的傳授,未能有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力,教學(xué)效果很不理想[4]。在傳統(tǒng)的教與學(xué)模式中,教師多強(qiáng)調(diào)學(xué)科的完整性,學(xué)生更關(guān)注作業(yè)考試的標(biāo)準(zhǔn)答案,難以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜問題的綜合能力和工程思維,有時(shí)甚至與社會(huì)需求脫節(jié),增大了學(xué)生就業(yè)壓力。

教育現(xiàn)代化是社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要基石,尤其對(duì)于地方工科高等院校,如何與CDIO工程教育理念相呼應(yīng),圍繞“工業(yè)強(qiáng)省、產(chǎn)業(yè)興省”戰(zhàn)略目標(biāo),緊密結(jié)合甘肅乃至西部區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),創(chuàng)新以電氣工程人才培養(yǎng)為目標(biāo),以專業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向,以學(xué)生為主體的運(yùn)動(dòng)控制課程教學(xué)體系是亟待解決的關(guān)鍵問題[5-7]。目前,國內(nèi)涉及“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程研究的文獻(xiàn)大都以課程內(nèi)容組織及授課方式為主[8],而基于課程群視角,直接關(guān)聯(lián)探究型實(shí)踐教學(xué)研究的文獻(xiàn)并不多見。因此,本文基于“金課”建設(shè)內(nèi)涵,從“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容出發(fā),以永磁同步電機(jī)控制為例,將滑模變結(jié)構(gòu)控制引入電機(jī)調(diào)速過程,有效提高了系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)的魯棒性和自適應(yīng)能力[9-12]。由于無需對(duì)系統(tǒng)精確建模,控制參數(shù)整定相對(duì)簡(jiǎn)單,且易于數(shù)字實(shí)現(xiàn),對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)定向控制教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展的同時(shí),提升課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。在此基礎(chǔ)上,基于DSP開發(fā)板以及功率控制電路完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測(cè)試驗(yàn)證。在教學(xué)過程中,通過理論與實(shí)踐結(jié)合的授課方式,使課程內(nèi)容更具前沿性和時(shí)代性。同時(shí),教學(xué)形式既不是滿堂灌,也不是簡(jiǎn)單的課堂翻轉(zhuǎn)[13],應(yīng)充分體現(xiàn)出先進(jìn)性和互動(dòng)性。另外,系統(tǒng)參數(shù)整定結(jié)果沒有標(biāo)準(zhǔn)答案,學(xué)習(xí)過程個(gè)性化,具有探究性。通過該教學(xué)改革實(shí)踐,能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)與相關(guān)課程群知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián),構(gòu)建探究性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),通過系統(tǒng)各環(huán)節(jié)聯(lián)動(dòng)分析,綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)建模、控制理論、硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試等專業(yè)知識(shí)與技能,解決運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的復(fù)雜工程問題,并培養(yǎng)學(xué)生逐步建立系統(tǒng)觀念、工程觀念和創(chuàng)新觀念。

1 電機(jī)模型

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程以電力電子變換器為接口,以自動(dòng)控制理論為分析設(shè)計(jì)手段,以單片機(jī)為控制載體,以電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu),闡述電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律與設(shè)計(jì)方法,是一門理論聯(lián)系實(shí)際的典范課程[14]。為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的閉環(huán)控制,首先需要建立PMSM數(shù)學(xué)模型。為簡(jiǎn)化分析,這里忽略電機(jī)鐵芯飽和、磁滯損耗和渦流損耗,且電樞電流為三相對(duì)稱正弦電流,得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為:

(1)

磁鏈方程為

(2)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的表貼式PMSM,有Ld=Lq,則轉(zhuǎn)矩方程可以寫為

(3)

運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

其中,ud、uq分別為d、q軸電壓,id、iq分別為d、q軸電流,Ld、Lq分別為d、q軸電感,Rs為定子電阻,pn為電機(jī)極對(duì)數(shù),ψf為永磁磁鏈,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ωe為轉(zhuǎn)子電角速度。

2 速度滑?？刂?/h2>

2.1 控制策略選擇

PID算法是一種經(jīng)典的電機(jī)控制策略,廣泛應(yīng)用于交、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),也是“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程需要掌握的重點(diǎn)內(nèi)容。PID算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,然而其參數(shù)整定與調(diào)節(jié)依賴于電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型,而且存在響應(yīng)時(shí)間長、魯棒性不強(qiáng)等問題[10]。

隨著高端制造裝備的發(fā)展,負(fù)載對(duì)電機(jī)控制性能的要求不斷提高,考慮到系統(tǒng)外部干擾和內(nèi)部攝動(dòng)等不確定性因素,常規(guī)的PID控制難以滿足控制指標(biāo)要求。高性能微處理器與功率模塊的發(fā)展,使高精度電機(jī)控制成為可能?？紤]到永磁同步電機(jī)磁滯非線性特點(diǎn),通過在PMSM矢量控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中引入滑模控制,以提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示,系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。

圖1 PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

關(guān)于永磁同步電機(jī)滑模控制系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐,雖然就本科生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)來說具有一定挑戰(zhàn)度,但是為了提升課程內(nèi)容的前沿性和高階性,堅(jiān)持嘗試必然有助于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新性思維。

滑模控制(Sliding Mode Control, SMC),是一種特殊的非線性變結(jié)構(gòu)控制[12]。與其他控制方法的不同之處在于系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)不斷變化,從而迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)?；？刂婆cPID控制的顯著區(qū)別在于其控制的不連續(xù)性,具有算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、參數(shù)易調(diào)節(jié)、對(duì)外界干擾不敏感等優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)非線性系統(tǒng)具有良好的控制效果,目前在國民經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)和國防航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 滑模趨近律

選取指數(shù)趨近律作為滑模趨近律,即

(5)

式中,ε、k均為大于零的常數(shù),s為滑模面函數(shù)。

對(duì)式(5),當(dāng)s>0時(shí)有

(6)

令s(t)=0,可解得到達(dá)滑模面的時(shí)間為

(7)

由式(7)可以看出,系統(tǒng)可以在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面,系統(tǒng)到達(dá)滑模面的時(shí)間由k決定。

2.3 求解控制量

定義跟蹤誤差為:

(8)

(9)

采用指數(shù)趨近律,則有:

(10)

由式(9)、(10),可解得滑?？刂破鞯目刂屏繛?/p>

(11)

=-εsgn(s)s-ks2

(12)

3 仿真分析

為了分析控制方法的有效性,在Matlab/Simulink中搭建控制系統(tǒng)仿真模型,電機(jī)主要參數(shù)為:額定功率750 W、額定電壓220 V、額定轉(zhuǎn)速3000 r/min、額定轉(zhuǎn)矩2.39 NM、極對(duì)數(shù)為4、永磁磁鏈0.105 Wb、定子電阻2.82 Ω、d軸電感10.3 mH、q軸電感10.3 mH、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.06×10-4kg·m2。

給定轉(zhuǎn)速為1500 rpm,電機(jī)空載啟動(dòng),在0.3 s時(shí)突加2 N·m負(fù)載,0.7 s時(shí)負(fù)載減為0.5 N·m,得到如圖2所示控制系統(tǒng)仿真波形。圖2(a) 對(duì)所采用的滑?？刂婆c經(jīng)典PID控制下的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比,可以看出當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí),采用滑?？刂频南到y(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間短,具有更好的動(dòng)態(tài)性能,而采用經(jīng)典PID控制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間長。圖2(b) 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形,轉(zhuǎn)矩對(duì)于指令的跟蹤效果較好,脈動(dòng)較小。圖2(c) 中三相定子電流波形響應(yīng)平滑,正弦度良好。

(a) 轉(zhuǎn)速波形

(b) 轉(zhuǎn)矩波形

(c) 定子電流波形圖2 仿真分析結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力,在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)帶領(lǐng)學(xué)生以DSP(TMS320F28335)作為主控制器搭建PMSM 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)上述控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)硬件組成,由主電路和控制電路兩部分組成。在主電路設(shè)計(jì)中,主要包括如圖4所示的整流、逆變和濾波電路等。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖4 主電路拓?fù)?/p>

其次是控制電路設(shè)計(jì)?？刂齐娐酚蒁SP最小系統(tǒng)、DSP供電電路、電流、電壓采樣電路、調(diào)理電路、隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路以及測(cè)速電路等組成。圖5和圖6分別是主要控制電路設(shè)計(jì)和實(shí)物圖。

(a) 母線電壓采樣電路

(b) 相電流采樣電路

(c) IPM隔離電路

(d) IPM驅(qū)動(dòng)電路

(e) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路圖5 部分控制電路

圖6 功率電路和控制電路部分實(shí)物圖

4.2 軟件設(shè)計(jì)

控制程序在CCS(Code Composer Studio)開發(fā)環(huán)境中編寫,包括主程序與中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要完成系統(tǒng)軟硬件初始化。中斷服務(wù)程序主要完成系統(tǒng)的矢量控制算法。程序進(jìn)入PWM中斷后,程序首先依次進(jìn)入電流、電壓采樣中斷,以及電機(jī)轉(zhuǎn)子定位。之后結(jié)合轉(zhuǎn)速、電流反饋值計(jì)算出三相逆變橋相應(yīng)開關(guān)器件的占空比。圖7和圖8分別為主程序和中斷服務(wù)程序流程圖。

圖7 主程序流程圖

圖8 中斷服務(wù)程序流程圖

根據(jù)軟件流程圖編寫主程序并配置ADC、eQEP、ePWM等外設(shè)模塊,然后通過XDS100V3仿真器下載到DSP核心板,并驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率模塊進(jìn)行測(cè)試。在調(diào)試過程中學(xué)生需要注意:對(duì)DSP上電時(shí),最好在開關(guān)電源電壓輸出穩(wěn)定后再接入DSP,避免開關(guān)電源出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰脈沖而損壞DSP。調(diào)試時(shí),盡量避免帶電插拔JTAG接口。用示波器觀測(cè)引腳波形時(shí),切勿直接去測(cè)DSP引腳,可以在電路外部接口上根據(jù)測(cè)量需要找到對(duì)應(yīng)的引腳,再上電進(jìn)行觀測(cè)。用萬用表測(cè)量電壓時(shí),還需注意避免短路問題,尤其是封裝較小的電容測(cè)量。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

程序測(cè)試無誤后,在搭建的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,系統(tǒng)硬件如圖9所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)均為海得M80-2430FR12B0B0永磁伺服電機(jī),額定功率為750 W,額定電壓220 V,額定電流3.8 A,額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩2.39 N·m。IPM智能功率模塊選用FSBB30CH60F,額定功率為3 kW,開關(guān)頻率為5 kHz。

圖9 電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖10為電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)示波器測(cè)量的電流波形,三相電流波形三相對(duì)稱且正弦度較好。圖11為通過上位機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并通過Matlab繪圖得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。其中,圖11(a)為電機(jī)空載啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速波形,可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速可以較快且無超調(diào)地達(dá)到給定值。圖11(b)為空載啟動(dòng)后在5 s時(shí)突加1 N·m負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,可以看出當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間下降后迅速恢復(fù)給定值,動(dòng)態(tài)降落約為3.33%,恢復(fù)時(shí)間約為0.05 s,說明調(diào)速系統(tǒng)具有良好的抗擾動(dòng)能力。

圖10 空載相電流波形

(a) 空載啟動(dòng)

(b) 突加負(fù)載圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

通過以上理論學(xué)習(xí)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以有效拓展學(xué)生的系統(tǒng)思維、工程思維和創(chuàng)新思維。通過梳理“零散”的專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)集成能力、綜合應(yīng)用能力和對(duì)比分析能力;通過硬件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將數(shù)學(xué)、電工學(xué)、控制算法等理論知識(shí)內(nèi)化為學(xué)生解決實(shí)際問題的能力;通過“啟發(fā)-思考-探索”,充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力,培養(yǎng)學(xué)生的多層次創(chuàng)新思維。該案例教學(xué)已經(jīng)在電氣工程及其自動(dòng)化和自動(dòng)化兩個(gè)專業(yè)連續(xù)兩屆的大三學(xué)生中順利實(shí)施,通過問卷調(diào)查和后續(xù)運(yùn)動(dòng)控制綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)可以看出,至少有三分之一的學(xué)生顯著提升了電路設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試能力。

5 結(jié)語

高校是培養(yǎng)人才的搖籃,要解決目前“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用存在部分脫節(jié)的尷尬局面,需要根據(jù)工程技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件,通過永磁電機(jī)滑?？刂瓢咐虒W(xué)設(shè)計(jì),構(gòu)建了從基礎(chǔ)理論認(rèn)知、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到綜合測(cè)試分析逐層遞進(jìn)的教學(xué)方式,在教學(xué)中充分體現(xiàn)出以學(xué)生為中心,培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,為提升“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程整體的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度做出了有益嘗試。