磁懸浮試車架模擬控制板調(diào)試方法

.z磁懸浮試車架模擬控制板的調(diào)試方法容提要磁懸浮技術(shù)是一門涉及機(jī)械工程、力學(xué)、電磁技術(shù)、電子技術(shù)、控制工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電磁軸承是磁懸浮技術(shù)的典型應(yīng)用，具有無接觸、無摩擦、無磨損、可控制等優(yōu)點(diǎn)，將電磁軸承應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，可以解決接觸式支承不可防止的軸向力傳遞過程中的力損耗問題，從而可提高軸向推力測(cè)量的精度和試驗(yàn)架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為固體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的參數(shù)測(cè)量提供新的技術(shù)途徑。電磁軸承的控制技術(shù)是磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試是整個(gè)工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要介紹了磁懸浮試車架模擬控制板的調(diào)試技術(shù)。根據(jù)電路調(diào)試原理，將原理樣機(jī)模擬控制板電路劃分為七個(gè)單元電路，對(duì)電路逐個(gè)進(jìn)展了理論分析，數(shù)字仿真；對(duì)單元電路設(shè)計(jì)了測(cè)試方案，獲得了實(shí)測(cè)的電路數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展了處理，對(duì)理論模型進(jìn)展了修正，得到了單元電路的準(zhǔn)確模型；設(shè)計(jì)了開環(huán)調(diào)試方案，組建了開環(huán)調(diào)試系統(tǒng)；進(jìn)展了開環(huán)調(diào)試，根據(jù)控制目標(biāo)，更換了局部元器件，使模擬控制電路到達(dá)了性能指標(biāo)要求。2005年6月1日完成了實(shí)物試驗(yàn)，到達(dá)了控制目標(biāo)。說明了測(cè)試過程中得到的單元電路模型是正確的，開環(huán)調(diào)試方法是可行的，建立了一種磁懸浮試車架模擬控制板的離線調(diào)試方法，為以后相關(guān)型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車系統(tǒng)提供了快速調(diào)試方法。1概述由于磁懸浮技術(shù)的無接觸、無摩擦、可控制的優(yōu)點(diǎn)，806所近年來密切關(guān)注此項(xiàng)技術(shù)的最新開展并將磁懸浮試車架應(yīng)用于地面試驗(yàn)中。磁懸浮試車架的工作原理是通過電磁軸承產(chǎn)生電磁力克制發(fā)動(dòng)機(jī)的重力和外界干擾力。磁懸浮試車架控制系統(tǒng)的功能是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的軸線徑向位移，并與軸線指定位置比擬獲得位移偏差信號(hào)，調(diào)節(jié)供應(yīng)電磁軸承的電流形成可控電磁力，使發(fā)動(dòng)機(jī)起浮并穩(wěn)定到指定位置。由此看來，控制器的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法是整個(gè)工程研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。806所于2004年引進(jìn)了磁懸浮試驗(yàn)架原理樣機(jī)，并提出了形成設(shè)計(jì)能力的目標(biāo)。很快仿制了模擬控制板，在第一次調(diào)試試驗(yàn)中根本實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的起浮但出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)此問題，要求獲得模擬控制板的性能數(shù)據(jù)，并完成模擬控制板的性能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定懸浮，經(jīng)過3個(gè)月的緊工作，根本獲得控制板各電路的性能參數(shù)，建立了電路的準(zhǔn)確模型，摸索出一套開環(huán)調(diào)試方法。2電路板調(diào)試原理電路分析與模塊分解電路仿真與模塊仿真電路分析與模塊分解電路仿真與模塊仿真電路元器件及連線檢查電路板動(dòng)、靜態(tài)測(cè)試全系統(tǒng)性能調(diào)試圖1電路板調(diào)試步驟圖1模擬控制板調(diào)試步圖1模擬控制板調(diào)試步驟3PID模擬控制板的調(diào)試3．1單元電路分析單元電路分解的目標(biāo)是為了獲取系統(tǒng)模型及性能參數(shù)。調(diào)試過程將整個(gè)電路分為位移調(diào)理電路〔調(diào)零和二階濾波電路〕、電流調(diào)理電路、PID電路、限幅及正反向電路、脈寬調(diào)制電路〔由TL494組成〕、IGBT驅(qū)動(dòng)電路〔由E*B841電路組成〕及電源〔±12V，±15V、4路20V〕等局部，如圖2所示。圖2電路原理圖圖2電路原理圖圖2電路原理圖在單元電路分析過程中，對(duì)各單元電路分析其原理，計(jì)算其相關(guān)參數(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并分析了各個(gè)電路的功能。各個(gè)電路分析如下：1〕電源電路模擬控制板上的電源電路包括±12V，±15V，20V輸出。其中+12V電源主要提供參考電壓，給位移調(diào)零電路提供獨(dú)立電壓，并在過流保護(hù)中應(yīng)用，±15V電源給控制板上各電路芯片供電，20V電源給IGBT驅(qū)動(dòng)電路的E*B841芯片供電。電源電路原理根本一樣，不同電源輸出時(shí)器件略有調(diào)整。2〕位移調(diào)理電路傳感器信號(hào)調(diào)理電路包括調(diào)零電路和濾波電路。調(diào)零電路功能是將測(cè)量位移信號(hào)與指定位移信號(hào)比擬獲得位移誤差信號(hào)，濾波電路功能是對(duì)位移傳感器信號(hào)進(jìn)展濾波，提高測(cè)量信號(hào)質(zhì)量。濾波器選定切比雪夫?yàn)V波器，其放大倍數(shù)為-1，固有角頻率為3.1K。電路原理圖如圖3所示。調(diào)零電路數(shù)學(xué)模型為：濾波器數(shù)學(xué)模型為：圖3位移調(diào)理電路原理圖圖3位移調(diào)理電路原理圖3〕電流調(diào)理電路電磁軸承由兩組線圈組成，采用調(diào)節(jié)電流來獲得可變電磁力，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)位置，因此需要對(duì)兩路電流進(jìn)展測(cè)量并要對(duì)信號(hào)濾波。分析電路得到放大倍數(shù)為-333倍，濾波器截止角頻率為500。單元電路由信號(hào)放大和濾波電路組成，其電路原理圖如圖4所示。數(shù)學(xué)模型為圖4圖4電流調(diào)理電路4〕PID電路磁懸浮控制器采用了成熟的比例-積分-微分〔PID〕控制模式，采用比例環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)剛度，微分環(huán)節(jié)增加系統(tǒng)阻尼，積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此采用了PID電路，其輸入為位移偏差信號(hào)，并進(jìn)展PID變換調(diào)節(jié)電流信號(hào)，到達(dá)通過改變偏置電流大小調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置到達(dá)穩(wěn)定懸浮和抗干擾的目的。常用PID的調(diào)節(jié)電路可有單運(yùn)放PID電路，串并聯(lián)PID電路，全并聯(lián)PID電路。本設(shè)計(jì)為串并聯(lián)PID電路，便于調(diào)節(jié)參數(shù)。圖5將PID電路的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)一步分解并建立其數(shù)學(xué)模型。P環(huán)節(jié)P環(huán)節(jié)I環(huán)節(jié)D環(huán)節(jié)求和環(huán)節(jié)20K20K20K321411U1A10KPort圖5PID電路原理P環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型〔設(shè)上電阻為R1，下電阻為10-R1〕則有獲得增益系數(shù)為：P=；I環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型〔設(shè)上電阻為R〕則有獲得積分系數(shù)為：;D環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型〔設(shè)上電阻為R〕則有其中R=0~25K，得到微分常數(shù)為：;再經(jīng)過求和電路，則總的數(shù)學(xué)模型為5〕限幅電路*y圖6限幅電路模型*y圖6限幅電路模型圖7限幅電路原理圖PWM電路得到了調(diào)節(jié)電流大小，如果和偏置電流相加，則可直接應(yīng)用。實(shí)際的電流源為開關(guān)電源，則必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采用了494脈寬調(diào)節(jié)電路。494脈寬調(diào)節(jié)電路有兩路輸入，一路輸入將當(dāng)前電流信號(hào)和控制電流信號(hào)求差后作為輸入，另一路為過流保護(hù)輸入。輸出為調(diào)制方波信號(hào)。原理電路如圖8所示。7〕IGBT驅(qū)動(dòng)電路IGBT是一種開關(guān)電源，必須采用驅(qū)動(dòng)電路，選用富士的E*B841芯片作為驅(qū)動(dòng)電路。電路原理圖如圖9所示。通過單元電路的分析，根本上得到了各單元電路的功能，建立了整個(gè)控制電路的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到了各單元電路的性能指標(biāo)。圖9IGBT原理電路圖圖9IGBT原理電路圖圖8PWM原理電路圖3．2電路及元器件的正確性檢查電路及元器件的正確性檢查主要是為了檢查電路板上的元器件是否和設(shè)計(jì)一致，電路連線是否正確，方法是通過萬用表對(duì)電路板逐點(diǎn)逐元件進(jìn)展檢查，獲得元器件的標(biāo)稱值和走線圖。對(duì)結(jié)果進(jìn)展分析，和理論模型比擬判別正誤。通過這局部工作主要發(fā)現(xiàn)電路板中電源局部和芯片濾波電容標(biāo)稱值偏小，抗干擾能力較差。3．3模擬電路板動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試準(zhǔn)備在得到了全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、性能指標(biāo)及電路的正確性檢查后必須對(duì)電路進(jìn)展動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試，并建立相應(yīng)的調(diào)試系統(tǒng)。本課題主要采用了虛擬電子工作平臺(tái)(ElectronicsWorkbench,簡(jiǎn)稱EWB)、HP3566、HP信號(hào)源及泰克2021示波器作為工具。運(yùn)用虛擬電子工作平臺(tái)對(duì)電路進(jìn)展動(dòng)靜態(tài)仿真分析，運(yùn)用HP3566和HP信號(hào)源、泰克2021示波器組成調(diào)試系統(tǒng)。通過仿真分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)展比照，可以發(fā)現(xiàn)電路中存在的問題，并能做到機(jī)理清楚、問題復(fù)現(xiàn)。3．4單元電路動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試電路板靜態(tài)性能調(diào)試，方法是各功能模塊分別加電測(cè)試，獲得了測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展分析得到放大倍數(shù)。給各個(gè)單元電路按傳感器靜態(tài)標(biāo)定的方法輸入不同臺(tái)階的直流電壓信號(hào)用以考察各局部電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。有些元器件線性不好、或者在不同臺(tái)階值輸出偏離理論值較大，通過輸入直流電壓的方法可以檢查出來。例如在PID電路加電檢查中，其中管腳6在輸入電壓為0~3V時(shí)輸出不正常，正常值應(yīng)為毫伏級(jí)信號(hào)，因此這片PID電路的芯片需要更換。其測(cè)量值見表1。電電壓測(cè)量腳-9.5-6-30369.5R6-9.56-6-3.030.00002363.0469.65-9.41-5.94-30.00004123.015.949.526-9.54-6-3.03-10.6-10.56.019.67-11.8-8.19-5.04-0.6665.048.2911.99-9.52-6-3.035.133.046.019.6110-9.41-5.94-30.00007123.015.949.61表1PID電路靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)電路板動(dòng)態(tài)調(diào)試主要是為了獲得實(shí)際電路中的濾波電路、微分電路、積分電路中的性能指標(biāo)，調(diào)試中給電路施加不同頻率、不同幅值的正弦信號(hào)，得到電路幅頻特性曲線。通過該項(xiàng)測(cè)試得到了濾波電路的幅頻特性參數(shù)與設(shè)計(jì)值根本一致，微分電路微分常數(shù)、積分電路積分常數(shù)和設(shè)計(jì)值偏差較大，對(duì)其進(jìn)展調(diào)整，更換了局部元器件，使其到達(dá)性能指標(biāo)。從而根本上解決了核心問題。3．5全系統(tǒng)性能調(diào)試在完成單元調(diào)試后，進(jìn)展了全系統(tǒng)的開環(huán)調(diào)試，實(shí)際輸出結(jié)果與理論結(jié)果根本一致。接著進(jìn)展了全系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試試驗(yàn)，選取了20個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)展測(cè)量。閉環(huán)調(diào)試試驗(yàn)成功，試驗(yàn)的位移曲線如圖10。圖10位移曲線圖10位移曲線4結(jié)論電路板的調(diào)試通過電路分析與模塊分解、電路仿真、元器件及連線檢查、單元?jiǎng)屿o態(tài)調(diào)試、全系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試，2005年6月1日完成了實(shí)物試驗(yàn)，到達(dá)了控制目標(biāo)。說明了測(cè)試過程中得到