“运动控制系统”金课建设的实践与探索

包广清 张 萍 王树东 杜赫轩

(1. 西南石油大学 电气信息学院, 成都 610500)

(2. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院, 兰州 730050)

以学生发展为中心,是世界高等教育共同的理念,课程是解决这个理念落地的“最后一公里”[1]。因此,以“金课”建设为抓手,培养专业技能高、创新意识强的人才必然成为每位高校教师应该关注的事情[2]。

“运动控制系统”课程是本科自动化、电气工程及其自动化专业的必修课,内容涉及“电机学”“自动控制原理”“电力电子技术”“信号检测与处理”“计算机控制”“电机拖动”等课程,并具有相互衔接、渗透和补充的特性[3]。然而,受教学资源的约束导致课程班级人数多,教师注重了理论知识的传授,未能有效激发学生的内在学习动力,教学效果很不理想[4]。在传统的教与学模式中,教师多强调学科的完整性,学生更关注作业考试的标准答案,难以培养学生解决实际复杂问题的综合能力和工程思维,有时甚至与社会需求脱节,增大了学生就业压力。

教育现代化是社会主义现代化建设的重要基石,尤其对于地方工科高等院校,如何与CDIO工程教育理念相呼应,围绕“工业强省、产业兴省”战略目标,紧密结合甘肃乃至西部区域经济发展特点,创新以电气工程人才培养为目标,以专业发展为导向,以学生为主体的运动控制课程教学体系是亟待解决的关键问题[5-7]。目前,国内涉及“运动控制系统”课程研究的文献大都以课程内容组织及授课方式为主[8],而基于课程群视角,直接关联探究型实践教学研究的文献并不多见。因此,本文基于“金课”建设内涵,从“运动控制系统”课程传统教学内容出发,以永磁同步电机控制为例,将滑模变结构控制引入电机调速过程,有效提高了系统对参数变化和外部扰动的鲁棒性和自适应能力[9-12]。由于无需对系统精确建模,控制参数整定相对简单,且易于数字实现,对传统磁场定向控制教学内容进行拓展的同时,提升课程的创新性和挑战度。在此基础上,基于DSP开发板以及功率控制电路完成实验平台的搭建与测试验证。在教学过程中,通过理论与实践结合的授课方式,使课程内容更具前沿性和时代性。同时,教学形式既不是满堂灌,也不是简单的课堂翻转[13],应充分体现出先进性和互动性。另外,系统参数整定结果没有标准答案,学习过程个性化,具有探究性。通过该教学改革实践,能够将运动控制系统各组成环节与相关课程群知识点相关联,构建探究性实践教学平台,通过系统各环节联动分析,综合运用数学建模、控制理论、硬件设计与调试等专业知识与技能,解决运动控制相关的复杂工程问题,并培养学生逐步建立系统观念、工程观念和创新观念。

1 电机模型

“运动控制系统”课程以电力电子变换器为接口,以自动控制理论为分析设计手段,以单片机为控制载体,以电机为执行机构,阐述电机调速系统的控制规律与设计方法,是一门理论联系实际的典范课程[14]。为了实现永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的闭环控制,首先需要建立PMSM数学模型。为简化分析,这里忽略电机铁芯饱和、磁滞损耗和涡流损耗,且电枢电流为三相对称正弦电流,得到dq旋转坐标系下的电压方程为:

(1)

磁链方程为

(2)

根据实验室提供的表贴式PMSM,有Ld=Lq,则转矩方程可以写为

(3)

运动方程为

(4)

其中,ud、uq分别为d、q轴电压,id、iq分别为d、q轴电流,Ld、Lq分别为d、q轴电感,Rs为定子电阻,pn为电机极对数,ψf为永磁磁链,Te为电磁转矩,TL为负载转矩,J为电机转动惯量,ωe为转子电角速度。

2 速度滑模控制

2.1 控制策略选择

PID算法是一种经典的电机控制策略,广泛应用于交、直流电机调速系统,也是“运动控制系统”课程需要掌握的重点内容。PID算法设计简单,然而其参数整定与调节依赖于电机的精确数学模型,而且存在响应时间长、鲁棒性不强等问题[10]。

随着高端制造装备的发展,负载对电机控制性能的要求不断提高,考虑到系统外部干扰和内部摄动等不确定性因素,常规的PID控制难以满足控制指标要求。高性能微处理器与功率模块的发展,使高精度电机控制成为可能。考虑到永磁同步电机磁滞非线性特点,通过在PMSM矢量控制双闭环调速系统中引入滑模控制,以提高PMSM调速系统的动态性能。控制系统框图如图1所示,系统由转速外环和电流内环构成。

图1 PMSM双闭环控制系统

关于永磁同步电机滑模控制系统的理论分析与设计实践,虽然就本科生的专业基础知识来说具有一定挑战度,但是为了提升课程内容的前沿性和高阶性,坚持尝试必然有助于培养学生理论联系实际的能力和创新性思维。

滑模控制(Sliding Mode Control, SMC),是一种特殊的非线性变结构控制[12]。与其他控制方法的不同之处在于系统“结构”在动态调节过程中根据当前状态不断变化,从而迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制与PID控制的显著区别在于其控制的不连续性,具有算法实现简单、参数易调节、对外界干扰不敏感等优点,特别是对非线性系统具有良好的控制效果,目前在国民经济、工业生产和国防航天等领域得到了广泛的应用。

2.2 滑模趋近律

选取指数趋近律作为滑模趋近律,即

(5)

式中,ε、k均为大于零的常数,s为滑模面函数。

对式(5),当s>0时有

(6)

令s(t)=0,可解得到达滑模面的时间为

(7)

由式(7)可以看出,系统可以在有限时间内到达滑模面,系统到达滑模面的时间由k决定。

2.3 求解控制量

定义跟踪误差为:

(8)

(9)

采用指数趋近律,则有:

(10)

由式(9)、(10),可解得滑模控制器的控制量为

(11)

=-εsgn(s)s-ks2

(12)

3 仿真分析

为了分析控制方法的有效性,在Matlab/Simulink中搭建控制系统仿真模型,电机主要参数为:额定功率750 W、额定电压220 V、额定转速3000 r/min、额定转矩2.39 NM、极对数为4、永磁磁链0.105 Wb、定子电阻2.82 Ω、d轴电感10.3 mH、q轴电感10.3 mH、转动惯量为1.06×10-4kg·m2。

给定转速为1500 rpm,电机空载启动,在0.3 s时突加2 N·m负载,0.7 s时负载减为0.5 N·m,得到如图2所示控制系统仿真波形。图2(a) 对所采用的滑模控制与经典PID控制下的系统转速响应进行了对比,可以看出当负载转矩发生变化时,采用滑模控制的系统电机转速恢复时间短,具有更好的动态性能,而采用经典PID控制时电机转速调节时间长。图2(b) 为电机转矩波形,转矩对于指令的跟踪效果较好,脉动较小。图2(c) 中三相定子电流波形响应平滑,正弦度良好。

(a) 转速波形

(b) 转矩波形

(c) 定子电流波形图2 仿真分析结果

4 实验验证

为了锻炼学生的实践能力,在实验环节带领学生以DSP(TMS320F28335)作为主控制器搭建PMSM 系统实验平台,并对上述控制方法进行实验验证,加深学生对理论知识的理解。

4.1 硬件设计

如图3所示是实验平台的系统硬件组成,由主电路和控制电路两部分组成。在主电路设计中,主要包括如图4所示的整流、逆变和滤波电路等。

图3 系统硬件组成框图

图4 主电路拓扑

其次是控制电路设计。控制电路由DSP最小系统、DSP供电电路、电流、电压采样电路、调理电路、隔离电路、驱动电路以及测速电路等组成。图5和图6分别是主要控制电路设计和实物图。

(a) 母线电压采样电路

(b) 相电流采样电路

(c) IPM隔离电路

(d) IPM驱动电路

(e) 转速检测电路图5 部分控制电路

图6 功率电路和控制电路部分实物图

4.2 软件设计

控制程序在CCS(Code Composer Studio)开发环境中编写,包括主程序与中断服务程序两部分。主程序主要完成系统软硬件初始化。中断服务程序主要完成系统的矢量控制算法。程序进入PWM中断后,程序首先依次进入电流、电压采样中断,以及电机转子定位。之后结合转速、电流反馈值计算出三相逆变桥相应开关器件的占空比。图7和图8分别为主程序和中断服务程序流程图。

图7 主程序流程图

图8 中断服务程序流程图

根据软件流程图编写主程序并配置ADC、eQEP、ePWM等外设模块,然后通过XDS100V3仿真器下载到DSP核心板,并驱动电机功率模块进行测试。在调试过程中学生需要注意:对DSP上电时,最好在开关电源电压输出稳定后再接入DSP,避免开关电源出现瞬时尖峰脉冲而损坏DSP。调试时,尽量避免带电插拔JTAG接口。用示波器观测引脚波形时,切勿直接去测DSP引脚,可以在电路外部接口上根据测量需要找到对应的引脚,再上电进行观测。用万用表测量电压时,还需注意避免短路问题,尤其是封装较小的电容测量。

4.3 实验分析

程序测试无误后,在搭建的电机控制实验平台上进行实验分析,系统硬件如图9所示。驱动电机与负载电机均为海得M80-2430FR12B0B0永磁伺服电机,额定功率为750 W,额定电压220 V,额定电流3.8 A,额定转速为3000 r/min,额定转矩2.39 N·m。IPM智能功率模块选用FSBB30CH60F,额定功率为3 kW,开关频率为5 kHz。

图9 电机实验系统

图10为电机空载运行时示波器测量的电流波形,三相电流波形三相对称且正弦度较好。图11为通过上位机对电机转速进行数据采集,并通过Matlab绘图得到的电机转速波形。其中,图11(a)为电机空载启动的转速波形,可以看出电机转速可以较快且无超调地达到给定值。图11(b)为空载启动后在5 s时突加1 N·m负载的电机转速波形,可以看出当负载发生突变时,电机转速瞬间下降后迅速恢复给定值,动态降落约为3.33%,恢复时间约为0.05 s,说明调速系统具有良好的抗扰动能力。

图10 空载相电流波形

(a) 空载启动

(b) 突加负载图11 电机转速波形

通过以上理论学习、仿真分析和实验验证,可以有效拓展学生的系统思维、工程思维和创新思维。通过梳理“零散”的专业基础课知识点,培养学生的系统集成能力、综合应用能力和对比分析能力;通过硬件设计与实验测试,将数学、电工学、控制算法等理论知识内化为学生解决实际问题的能力;通过“启发-思考-探索”,充分发挥学生的想象力和创造力,培养学生的多层次创新思维。该案例教学已经在电气工程及其自动化和自动化两个专业连续两届的大三学生中顺利实施,通过问卷调查和后续运动控制综合训练环节可以看出,至少有三分之一的学生显著提升了电路设计、制作和调试能力。

5 结语

高校是培养人才的摇篮,要解决目前“运动控制系统”课程教学内容与实际应用存在部分脱节的尴尬局面,需要根据工程技术的发展不断进行动态调整。结合学校实验条件,通过永磁电机滑模控制案例教学设计,构建了从基础理论认知、创新实验设计到综合测试分析逐层递进的教学方式,在教学中充分体现出以学生为中心,培养了学生理论联系实际的能力,为提升“运动控制系统”课程整体的高阶性、创新性和挑战度做出了有益尝试。