CN110752791A - 一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其包括控制器和作动器模块；控制器包括主DSP、从DSP和FPGA；作动器模块中每路单路作动器包括电机、减速器和作动机构，每台作动机构中均装有电位计，用以采集作动机构位置，每台电机中均装有旋转变压器，用以采集电机角度和转速；主DSP和从DSP与FPGA并行通讯，主DSP和上位机采用串行通讯，主DSP接收上位机发送的指令信号，通过闭环控制，驱动三路单路作动器高精度实时位置同步直线工作，同时将作动机构和电机反馈的信息进一步向上位机反馈。本发明不仅提高了多路作动机构在起动和给定位置突变的同步性能，也改善了多路作动机构在稳态下突加负载时的同步性能。

Description

一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统及方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，涉及多路电动作动机构的同步控制，具体为一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统及方法。

背景技术

电动作动装置主要应用于发动机进气、排气调节系统，它一般由作动机构、电动机和作动装置控制器组成，多路电动作动装置则由多路作动机构、电动机及作动装置控制器组成。通常，作动装置控制器接收发动机综合控制器发送的指令信号，采集作动机构的角度传感器的电压信号，实现作动装置的闭环控制；同时向发动机综合控制器发送作动装置工作状态和指令执行情况的信号，实现对多路作动装置的高精度实时位置同步控制。

作动装置控制器是伺服控制器的一种，电机伺服控制技术的发展使得同步控制逐渐从机械式向电气式过渡，目前存在的同步控制技术包括并行控制，主从控制，交叉耦合控制及偏差耦合控制。并行控制和主从控制属于非交叉耦合同步控制，当负载发生变化时，电机之间的同步精度不能够得到保证。交叉耦合控制最主要的特点就是将两台电机的速度或者是位置信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号。将这个附加的反馈信号作为跟踪信号，系统能够反映出任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。但是这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情形。对于三台及以上的控制系统，速度补偿信号难以确定而不适用，这就大大限制了此控制策略在多电机控制实际工程中的应用。

偏差耦合控制的主要思想是将某一台电机的速度反馈同其他电机的速度反馈分别作差，然后将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信号，这种偏差耦合控制策略能够克服以上各种控制策略的缺点，实现很好的同步性能。然而在电机数目较多时，每台电机的转速补偿器模型较为繁琐，在线计算工作量较大。

此外，多路电动作动装置控制器一般采用多DSP系统。多DSP系统是由若干个独立的DSP构成的系统，DSP之间按某种方式互联，每个DSP可以独立执行自己的程序。DSP与DSP之间通过互联网络进行通讯，传送数据并进行同步。多DSP系统存在控制复杂，数据传输量大，实时性不足等问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：解决现有同步控制策略中存在的不足，解决传统控制器多DSP系统控制复杂的问题，提供一种易于工程实现、简单可行的作动装置控制器电路及位置实时同步控制方法，保证给发动机提供一套可靠可行的一拖三作动装置控制器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其包括控制器和作动器模块；控制器包括一块主DSP、一块从DSP和一块FPGA；作动器模块包括三路单路作动器，每路单路作动器包括电机、减速器和作动机构，每台作动机构中均装有电位计，用以采集作动机构位置，每台电机中均装有旋转变压器，用以采集电机角度和转速；主DSP和从DSP与FPGA并行通讯，主DSP和上位机采用串行通讯，主DSP接收上位机发送的指令信号，通过闭环控制，驱动三路单路作动器高精度实时位置同步直线工作，同时将作动机构和电机反馈的信息进一步向上位机反馈。

其中，所述主DSP通过RS422总线与上位机通讯，负责指令接收与数据发送，同时通过并口与FPGA实现数据交互，主DSP通过三环融合算法输出1组PWM信号，实现对其中一路单路作动器中电机的实时位移控制；从DSP输出两台电机控制的PWM信号，负责其它两路单路作动器的位移控制，从DSP通过并口与FPGA实现数据交互，获取其它两路单路作动器中电机的位置、速度信号，同时通过FPGA间接获取主DSP发送的指令信息，并通过FPGA向主DSP反馈产品状态及故障信息；FPGA负责旋变信号解算、信号采集和处理、主/从DSP信息传递，并将结果回馈到主DSP和从DSP，供主/从DSP完成控制算法闭环，对运行状态数据进行监测和控制决策。

其中，所述主DSP与FPGA交互的数据包括FPGA从作动器模块获取的电气信号，包括各个电机的位置和速度。

其中，所述三环融合算法包括位置环、速度环和电流环。

本发明还提供一拖三作动装置的位置实时同步控制方法，主DSP收到上位机发送的位置指令后，经过轨迹规划算法得到新的位置指令，位置反馈由作动机构中电位计采集并经过滤波而得，位置指令和位置反馈进位置环经PI调节后输出速度环指令，速度反馈由作动机构中旋变采集并经过滤波而得，速度环指令和速度反馈进速度环经PI调节后输出电流环指令，电机相电流反馈由控制器中设置的电流传感器采样后滤波而得，电流指令和电流反馈进电流环经PI调节后经抗饱和处理及功率放大，输出PWM信号控制作动器按指令产生位移。

其中，所述主DSP完成3路单路作动器的轨迹规划，实现3路单路作动器控制的时钟同步性。

其中，所述速度环加入速度前馈，电流环加入电流前馈控制。

其中，所述速度环PI调节采用带有退饱和环节的PI调节器，速度环中加入速度指令平滑滤波环节。

其中，所述三台作动机构设为1主2从控制，设定W1、W2和W3分别为三台作动机构当前位置反馈，W*为上位机发送的位置指令；当作动机构运行过程中出现不同步情况时，对三路作动机构位置之间的偏差进行实时监测，每250us计算一次三路作动机构位置之间的最大偏差，若最大位置偏差不大于0.5mm，控制器跟踪上位机输入的目标位置指令，当最大位置偏差大于0.5mm时，对三路作动机构位置实施同步调节，以当前三路作动机构位置的平均值作为位置环指令，通过调节，当三路作动机构位置之间的偏差均在0.5mm以内时，同步调节结束，控制器继续跟踪上位机输入的目标指令。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统及方法，与现有技术相比较，具备如下有益效果：

1、本发明在硬件设计方案上更加灵活，在控制电路中增加FPGA的设计，通过FPGA的综合调度控制，使得2块DSP系统实现了对3台作动机构的同步控制，控制结构上类似交叉耦合控制，但控制操作上又实现了对三台机构的同步控制，即利用硬件电路简化了控制方法，实现了对多台电动机构的同步控制；

2、本发明提供了一种一拖三作动装置的位置实时同步控制方法，通过对交叉耦合同步控制方法进行改进，在交叉耦合控制策略上加入PI控制，使系统能够很好地实现同步控制，实现对作动装置用电动机的实时调节及位置实时同步控制，更易于工程实现。

3、本发明不仅提高了多路作动机构在起动和给定位置突变的同步性能，也改善了多路作动机构在稳态下突加负载时的同步性能。

附图说明

图1为本发明实施例控制系统示意图。

图2为位置/速度/电流全闭环控制原理框图。

图3为不同步时更新位置指令示意图。

图4为转速补偿结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明中的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统采用混合控制方式，硬件系统由主控制器、从控制器、FPGA组成，主控制器和从控制器之间采用并行通讯方式，主控制器和上位机采用串行通讯方式，控制原理图如图1所示。控制方法拟采用位置环、转速环和电流环三环融合控制，将传统交叉耦合控制方法速度补偿改为位置补偿，同时为提高实时性增加速度补偿和电流前馈，通过硬件设计和软件改进两方面实现三台作动装置的位置实时同步控制。

如图1所示，本实施例一拖三作动装置的位置实时同步控制系统包括控制器和作动器模块；控制器包括一块主DSP、一块从DSP和一块FPGA；作动器模块包括三路单路作动器，每路单路作动器包括电机、减速器和作动机构，每台作动机构中均装有电位计，用以采集作动机构位置，每台电机中均装有旋转变压器，用以采集电机角度和转速；主DSP和从DSP与FPGA并行通讯，主DSP和上位机采用串行通讯，控制器作为控制系统的重要组成部分，其主要功能为接收上位机发送的指令信号，完成各类算法闭环，驱动三路单路作动器高精度实时位置同步直线工作，同时将作动机构和电机反馈的信息进一步向上位机反馈。

其中，控制器各部分功能如下：

主DSP通过RS422总线与上位机通讯，负责指令接收与数据发送(含关键电气变量、状态变量及故障信息等)，同时通过并口与FPGA实现数据交互，交互数据包括FPGA从作动器获取的关键电气信号，如电机1的位置、速度等，主DSP通过三环融合算法输出1组PWM信号，实现对电机1的高精度实时位移控制。从DSP输出2台电机控制的PWM信号，负责单路作动器2和单路作动器3的位移控制，从DSP通过并口与FPGA实现数据交互，获取两台电机的位置、速度等关键电气信号，同时通过FPGA间接获取主DSP发送的指令信息，并通过FPGA向主DSP反馈产品状态及故障信息。FPGA负责旋变信号解算、信号采集和处理、主/从DSP信息传递，并将结果回馈到主DSP和从DSP，供主/从DSP完成各类算法闭环，对运行状态数据进行监测和智能决策。

控制器控制原理图如图2所示，三环融合算法包括位置环、速度环和电流环。主DSP收到上位机发送的位置指令后，经过轨迹规划算法得到新的位置指令，位置反馈由作动机构中电位计采集并经过滤波而得，位置指令和位置反馈进位置环经PI调节后输出速度环指令，速度反馈由作动机构中旋变采集并经过滤波而得，速度环指令和速度反馈进速度环经PI调节后输出电流环指令，电机相电流反馈由控制器中设置的电流传感器采样后滤波而得，电流指令和电流反馈进电流环经PI调节后经抗饱和处理及功率放大，输出PWM信号控制作动器按指令产生位移。

同时，为完成精确的多作动机构同步控制，通过轨迹规划算法，对每一路单路作动器的位移、速度和加速度进行测量，在固定时间点规划每一作动器同一时刻的速度和加速度以期达到理想的位移点。在资源分配上，采用一个处理器即主DSP完成3路单路作动器的轨迹规划，从而保证3路单路作动器控制的时钟同步性。

为了提高作动装置的动态性能，需要在速度环加入速度前馈，在电流环加入电流前馈控制。

基于FOC的控制，需要对电机转子位置角度和三相电流进行准确的采集，角度值和相电流值作为矢量变换的输入量，参与到整个FOC的控制过程。电流环调节器的设计主要依赖于电机电气参数，与负载的相关性较小，这是因为反电势的变化速度比电流的变化速度要慢得多。由于电机电阻和电感能够比较精确地获取，电流环调节器可采用零极点对消的方法，比较精确地对消电机电气极点，提高电流环响应速度。

为了提高速度环的响应速度，减小由积分引起的超调，速度环调节器采用带有退饱和环节的PI调节器，为了保证伺服系统的稳定运行，在速度环中要加入速度指令平滑滤波环节。

在以上3台单路作动器的实例中，通过硬件结构设计考虑使用适用于两台作动机构同步控制的交叉耦合控制方法，控制器中加入FPGA处理后，将3台作动机构当成1主2从控制，设定W1、W2和W3分别为三台作动机构当前位置反馈，W*为上位机发送的位置指令，一旦作动机构运行过程中出现不同步情况(任两路机构位置之间的偏差不大于2mm)，控制算法中对三路机构位置之间的偏差进行实时监测，每250us计算一次三路机构位置之间的最大偏差，若最大位置偏差不大于0.5mm，控制系统跟踪上位机输入的目标位置指令，当最大位置偏差大于0.5mm时，对三路机构位置实施同步调节，以当前三路机构位置的平均值作为位置环指令，通过调节，当三路机构位置之间的偏差均在0.5mm以内时，同步调节结束，控制系统继续跟踪上位机输入的目标指令。图3为出现不同步时位置指令结构，其中W*’＝(W1+W2+W3)/3。

此外，同步调节时，以三路机构位置的平均值为目标指令，各路位置反馈值与指令之间偏差都比较小，而速度环指令与位置环调节偏差成比例关系，从而使得速度环指令降低，引起三路机构降速，延长了系统的调节时间，为此在速度环亦加入速度补偿控制，速度补偿结构如图4所示，以提高作动装置的动态性能。

这样3台作动机构速度环的补偿为：

n*i＝ei+di,(i＝1,2,3)

di＝kp(W*-Wi)+kv(W*-Wi),(i＝1,2,3)

式中，di为第i台作动机构的位置环输出，n*i为考虑速度补偿及PI控制后的转速补偿。在得到外环参考转速后，设计单台作动机构电流控制算法，具体地，n*i为转速给定信号，n1为第1台作动机构电机的转速，通过旋转变压器检测作动机构电机的角位置信号得到实际转速信号，通过电流传感器采集三相静止坐标系中定子电流iA、iB、iC，利用Clarke变换将电流转换为静止的两相坐标系内iα、iβ；Park变换在相同磁动势相等的前提下继续将电流iα、iβ转换为旋转的两相坐标系内的电流id、iq。控制器控制iq相当于控制磁通及转矩，从而实现对其速度电流环的控制。为了达到矢量控制的目的，是将经过PI调节后μd和μq分量做Park逆变换，再变换到α-β坐标系上而得到μα和μβ分量SVPWM的合成方法来合成所需的矢量控制量。

从以上论述可以看出，为实现矢量变换控制算法，首先必须通过一系列的矢量变换，然后再经过SVPWM算法算出三相交流电压正确的输出值，再通过逆变器加载到三相电动机上，最后就合成了三相电动机的控制电压。作动机构电机在该控制器作用下，跟踪参考电压，实现电机的交叉耦合控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，包括控制器和作动器模块；控制器包括一块主DSP、一块从DSP和一块FPGA；作动器模块包括三路单路作动器，每路单路作动器包括电机、减速器和作动机构，每台作动机构中均装有电位计，用以采集作动机构位置，每台电机中均装有旋转变压器，用以采集电机角度和转速；主DSP和从DSP与FPGA并行通讯，主DSP和上位机采用串行通讯，主DSP接收上位机发送的指令信号，通过闭环控制，驱动三路单路作动器高精度实时位置同步直线工作，同时将作动机构和电机反馈的信息进一步向上位机反馈。

2.如权利要求1所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述主DSP通过RS422总线与上位机通讯，负责指令接收与数据发送，同时通过并口与FPGA实现数据交互，主DSP通过三环融合算法输出1组PWM信号，实现对其中一路单路作动器中电机的实时位移控制；从DSP输出两台电机控制的PWM信号，负责其它两路单路作动器的位移控制，从DSP通过并口与FPGA实现数据交互，获取其它两路单路作动器中电机的位置、速度信号，同时通过FPGA间接获取主DSP发送的指令信息，并通过FPGA向主DSP反馈产品状态及故障信息；FPGA负责旋变信号解算、信号采集和处理、主/从DSP信息传递，并将结果回馈到主DSP和从DSP，供主/从DSP完成控制算法闭环，对运行状态数据进行监测和控制决策。

3.如权利要求2所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述主DSP与FPGA交互的数据包括FPGA从作动器模块获取的电气信号，包括各个电机的位置和速度。

4.如权利要求2所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述三环融合算法包括位置环、速度环和电流环。

5.一种一拖三作动装置的位置实时同步控制方法，其特征在于，所述控制方法基于权利要求3或4中任一项一拖三作动装置的位置实时同步控制系统进行，主DSP收到上位机发送的位置指令后，经过轨迹规划算法得到新的位置指令，位置反馈由作动机构中电位计采集并经过滤波而得，位置指令和位置反馈进位置环经PI调节后输出速度环指令，速度反馈由作动机构中旋变采集并经过滤波而得，速度环指令和速度反馈进速度环经PI调节后输出电流环指令，电机相电流反馈由控制器中设置的电流传感器采样后滤波而得，电流指令和电流反馈进电流环经PI调节后经抗饱和处理及功率放大，输出PWM信号控制作动器按指令产生位移。

6.如权利要求5所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述主DSP完成3路单路作动器的轨迹规划，实现3路单路作动器控制的时钟同步性。

7.如权利要求6所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述速度环加入速度前馈，电流环加入电流前馈控制。

8.如权利要求6所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述速度环PI调节采用带有退饱和环节的PI调节器，速度环中加入速度指令平滑滤波环节。

9.如权利要求6所述的一拖三作动装置的位置实时同步控制系统，其特征在于，所述三台作动机构设为1主2从控制，设定W1、W2和W3分别为三台作动机构当前位置反馈，W*为上位机发送的位置指令；当作动机构运行过程中出现不同步情况时，对三路作动机构位置之间的偏差进行实时监测，每250us计算一次三路作动机构位置之间的最大偏差，若最大位置偏差不大于0.5mm，控制器跟踪上位机输入的目标位置指令，当最大位置偏差大于0.5mm时，对三路作动机构位置实施同步调节，以当前三路作动机构位置的平均值作为位置环指令，通过调节，当三路作动机构位置之间的偏差均在0.5mm以内时，同步调节结束，控制器继续跟踪上位机输入的目标指令。

Images