“運動控制系統”金課建設的實踐與探索

包廣清 張 萍 王樹東 杜赫軒

(1. 西南石油大學 電氣信息學院, 成都 610500)

(2. 蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院, 蘭州 730050)

以學生發展為中心,是世界高等教育共同的理念,課程是解決這個理念落地的“最后一公里”[1]。因此,以“金課”建設為抓手,培養專業技能高、創新意識強的人才必然成為每位高校教師應該關注的事情[2]。

“運動控制系統”課程是本科自動化、電氣工程及其自動化專業的必修課,內容涉及“電機學”“自動控制原理”“電力電子技術”“信號檢測與處理”“計算機控制”“電機拖動”等課程,并具有相互銜接、滲透和補充的特性[3]。然而,受教學資源的約束導致課程班級人數多,教師注重了理論知識的傳授,未能有效激發學生的內在學習動力,教學效果很不理想[4]。在傳統的教與學模式中,教師多強調學科的完整性,學生更關注作業考試的標準答案,難以培養學生解決實際復雜問題的綜合能力和工程思維,有時甚至與社會需求脫節,增大了學生就業壓力。

教育現代化是社會主義現代化建設的重要基石,尤其對于地方工科高等院校,如何與CDIO工程教育理念相呼應,圍繞“工業強省、產業興省”戰略目標,緊密結合甘肅乃至西部區域經濟發展特點,創新以電氣工程人才培養為目標,以專業發展為導向,以學生為主體的運動控制課程教學體系是亟待解決的關鍵問題[5-7]。目前,國內涉及“運動控制系統”課程研究的文獻大都以課程內容組織及授課方式為主[8],而基于課程群視角,直接關聯探究型實踐教學研究的文獻并不多見。因此,本文基于“金課”建設內涵,從“運動控制系統”課程傳統教學內容出發,以永磁同步電機控制為例,將滑模變結構控制引入電機調速過程,有效提高了系統對參數變化和外部擾動的魯棒性和自適應能力[9-12]。由于無需對系統精確建模,控制參數整定相對簡單,且易于數字實現,對傳統磁場定向控制教學內容進行拓展的同時,提升課程的創新性和挑戰度。在此基礎上,基于DSP開發板以及功率控制電路完成實驗平臺的搭建與測試驗證。在教學過程中,通過理論與實踐結合的授課方式,使課程內容更具前沿性和時代性。同時,教學形式既不是滿堂灌,也不是簡單的課堂翻轉[13],應充分體現出先進性和互動性。另外,系統參數整定結果沒有標準答案,學習過程個性化,具有探究性。通過該教學改革實踐,能夠將運動控制系統各組成環節與相關課程群知識點相關聯,構建探究性實踐教學平臺,通過系統各環節聯動分析,綜合運用數學建模、控制理論、硬件設計與調試等專業知識與技能,解決運動控制相關的復雜工程問題,并培養學生逐步建立系統觀念、工程觀念和創新觀念。

1 電機模型

“運動控制系統”課程以電力電子變換器為接口,以自動控制理論為分析設計手段,以單片機為控制載體,以電機為執行機構,闡述電機調速系統的控制規律與設計方法,是一門理論聯系實際的典范課程[14]。為了實現永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的閉環控制,首先需要建立PMSM數學模型。為簡化分析,這里忽略電機鐵芯飽和、磁滯損耗和渦流損耗,且電樞電流為三相對稱正弦電流,得到dq旋轉坐標系下的電壓方程為:

(1)

磁鏈方程為

(2)

根據實驗室提供的表貼式PMSM,有Ld=Lq,則轉矩方程可以寫為

(3)

運動方程為

(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為電機極對數,ψf為永磁磁鏈,Te為電磁轉矩,TL為負載轉矩,J為電機轉動慣量,ωe為轉子電角速度。

2 速度滑模控制

2.1 控制策略選擇

PID算法是一種經典的電機控制策略,廣泛應用于交、直流電機調速系統,也是“運動控制系統”課程需要掌握的重點內容。PID算法設計簡單,然而其參數整定與調節依賴于電機的精確數學模型,而且存在響應時間長、魯棒性不強等問題[10]。

隨著高端制造裝備的發展,負載對電機控制性能的要求不斷提高,考慮到系統外部干擾和內部攝動等不確定性因素,常規的PID控制難以滿足控制指標要求。高性能微處理器與功率模塊的發展,使高精度電機控制成為可能。考慮到永磁同步電機磁滯非線性特點,通過在PMSM矢量控制雙閉環調速系統中引入滑模控制,以提高PMSM調速系統的動態性能。控制系統框圖如圖1所示,系統由轉速外環和電流內環構成。

圖1 PMSM雙閉環控制系統

關于永磁同步電機滑模控制系統的理論分析與設計實踐,雖然就本科生的專業基礎知識來說具有一定挑戰度,但是為了提升課程內容的前沿性和高階性,堅持嘗試必然有助于培養學生理論聯系實際的能力和創新性思維。

滑模控制(Sliding Mode Control, SMC),是一種特殊的非線性變結構控制[12]。與其他控制方法的不同之處在于系統“結構”在動態調節過程中根據當前狀態不斷變化,從而迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。滑模控制與PID控制的顯著區別在于其控制的不連續性,具有算法實現簡單、參數易調節、對外界干擾不敏感等優點,特別是對非線性系統具有良好的控制效果,目前在國民經濟、工業生產和國防航天等領域得到了廣泛的應用。

2.2 滑模趨近律

選取指數趨近律作為滑模趨近律,即

(5)

式中,ε、k均為大于零的常數,s為滑模面函數。

對式(5),當s>0時有

(6)

令s(t)=0,可解得到達滑模面的時間為

(7)

由式(7)可以看出,系統可以在有限時間內到達滑模面,系統到達滑模面的時間由k決定。

2.3 求解控制量

定義跟蹤誤差為:

(8)

(9)

采用指數趨近律,則有:

(10)

由式(9)、(10),可解得滑模控制器的控制量為

(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中搭建控制系統仿真模型,電機主要參數為:額定功率750 W、額定電壓220 V、額定轉速3000 r/min、額定轉矩2.39 NM、極對數為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、轉動慣量為1.06×10-4kg·m2。

給定轉速為1500 rpm,電機空載啟動,在0.3 s時突加2 N·m負載,0.7 s時負載減為0.5 N·m,得到如圖2所示控制系統仿真波形。圖2(a) 對所采用的滑模控制與經典PID控制下的系統轉速響應進行了對比,可以看出當負載轉矩發生變化時,采用滑模控制的系統電機轉速恢復時間短,具有更好的動態性能,而采用經典PID控制時電機轉速調節時間長。圖2(b) 為電機轉矩波形,轉矩對于指令的跟蹤效果較好,脈動較小。圖2(c) 中三相定子電流波形響應平滑,正弦度良好。

(a) 轉速波形

(b) 轉矩波形

(c) 定子電流波形圖2 仿真分析結果

4 實驗驗證

為了鍛煉學生的實踐能力,在實驗環節帶領學生以DSP(TMS320F28335)作為主控制器搭建PMSM 系統實驗平臺,并對上述控制方法進行實驗驗證,加深學生對理論知識的理解。

4.1 硬件設計

如圖3所示是實驗平臺的系統硬件組成,由主電路和控制電路兩部分組成。在主電路設計中,主要包括如圖4所示的整流、逆變和濾波電路等。

圖3 系統硬件組成框圖

圖4 主電路拓撲

其次是控制電路設計。控制電路由DSP最小系統、DSP供電電路、電流、電壓采樣電路、調理電路、隔離電路、驅動電路以及測速電路等組成。圖5和圖6分別是主要控制電路設計和實物圖。

(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驅動電路

(e) 轉速檢測電路圖5 部分控制電路

圖6 功率電路和控制電路部分實物圖

4.2 軟件設計

控制程序在CCS(Code Composer Studio)開發環境中編寫,包括主程序與中斷服務程序兩部分。主程序主要完成系統軟硬件初始化。中斷服務程序主要完成系統的矢量控制算法。程序進入PWM中斷后,程序首先依次進入電流、電壓采樣中斷,以及電機轉子定位。之后結合轉速、電流反饋值計算出三相逆變橋相應開關器件的占空比。圖7和圖8分別為主程序和中斷服務程序流程圖。

圖7 主程序流程圖

圖8 中斷服務程序流程圖

根據軟件流程圖編寫主程序并配置ADC、eQEP、ePWM等外設模塊,然后通過XDS100V3仿真器下載到DSP核心板,并驅動電機功率模塊進行測試。在調試過程中學生需要注意:對DSP上電時,最好在開關電源電壓輸出穩定后再接入DSP,避免開關電源出現瞬時尖峰脈沖而損壞DSP。調試時,盡量避免帶電插拔JTAG接口。用示波器觀測引腳波形時,切勿直接去測DSP引腳,可以在電路外部接口上根據測量需要找到對應的引腳,再上電進行觀測。用萬用表測量電壓時,還需注意避免短路問題,尤其是封裝較小的電容測量。

4.3 實驗分析

程序測試無誤后,在搭建的電機控制實驗平臺上進行實驗分析,系統硬件如圖9所示。驅動電機與負載電機均為海得M80-2430FR12B0B0永磁伺服電機,額定功率為750 W,額定電壓220 V,額定電流3.8 A,額定轉速為3000 r/min,額定轉矩2.39 N·m。IPM智能功率模塊選用FSBB30CH60F,額定功率為3 kW,開關頻率為5 kHz。

圖9 電機實驗系統

圖10為電機空載運行時示波器測量的電流波形,三相電流波形三相對稱且正弦度較好。圖11為通過上位機對電機轉速進行數據采集,并通過Matlab繪圖得到的電機轉速波形。其中,圖11(a)為電機空載啟動的轉速波形,可以看出電機轉速可以較快且無超調地達到給定值。圖11(b)為空載啟動后在5 s時突加1 N·m負載的電機轉速波形,可以看出當負載發生突變時,電機轉速瞬間下降后迅速恢復給定值,動態降落約為3.33%,恢復時間約為0.05 s,說明調速系統具有良好的抗擾動能力。

圖10 空載相電流波形

(a) 空載啟動

(b) 突加負載圖11 電機轉速波形

通過以上理論學習、仿真分析和實驗驗證,可以有效拓展學生的系統思維、工程思維和創新思維。通過梳理“零散”的專業基礎課知識點,培養學生的系統集成能力、綜合應用能力和對比分析能力;通過硬件設計與實驗測試,將數學、電工學、控制算法等理論知識內化為學生解決實際問題的能力;通過“啟發-思考-探索”,充分發揮學生的想象力和創造力,培養學生的多層次創新思維。該案例教學已經在電氣工程及其自動化和自動化兩個專業連續兩屆的大三學生中順利實施,通過問卷調查和后續運動控制綜合訓練環節可以看出,至少有三分之一的學生顯著提升了電路設計、制作和調試能力。

5 結語

高校是培養人才的搖籃,要解決目前“運動控制系統”課程教學內容與實際應用存在部分脫節的尷尬局面,需要根據工程技術的發展不斷進行動態調整。結合學校實驗條件,通過永磁電機滑模控制案例教學設計,構建了從基礎理論認知、創新實驗設計到綜合測試分析逐層遞進的教學方式,在教學中充分體現出以學生為中心,培養了學生理論聯系實際的能力,為提升“運動控制系統”課程整體的高階性、創新性和挑戰度做出了有益嘗試。