基于dSPACE的大惯量转台控制系统设计

　　离线控制系统设计中,仿真框图使用的是受控对象的数学模型,仿真结果是针对数学模型得出的。如果将这样设计出的控制器直接用于实际受控对象的控制,就不一定能得出满意的控制效果。因为模型忽略了很多因素,例如外部扰动、模型本身的参数变化和结构变化、检测信号的量测噪声等。所以即使纯数字仿真能得出理想的结果,将其用于实际系统也可能走样。而转台系统实际模型更加复杂,许多电机参数都不确定,这样,快速原型设计技术就显得更重要了。所谓快速原型设计就是将实际系统对象原型放置在仿真系统中进行仿真研究,这样设计出来的控制器的控制效果是直接的。

　　1　系统参数与组成

　　设计的电动单轴转台台面尺寸:直径Φ1 000mm,转台整体高度280mm,最大负载9 800N,转台方位轴线倾角回转误差不大于5·3″,台面端面跳动不大于0·07mm。

　　由于该转台的大尺寸、特大负载(目前使用的电动仿真转台的负载一般在几百牛顿以下,几千牛顿以上就称为大负载转台了),要实现转台的低速性和快速性,具有很大的挑战性。转台设计成单轴电动式的,因为电动转台与液压驱动转台相比,具有控制方便、结构简单、相对安全可靠等优点,目前已成为转台研制的新的发展趋势。

　　本文所研究的转台快速原型设计主要是应用dSPACE,控制对象采用实物。整个的半实物仿真系统是由三部分共同组成的,分别为控制系统设计平台MATLAB/Smi ulink、dSPACE实时仿真系统及外部真实环境和设备。实现转台快速原型设计的硬件包括dSPACE仿真计算机、单轴电动转台、电机伺服驱动器、综合电源。软件包括仿真软件MATLAB和dSPACE综合实验和测试环境软件ControlDesk。

　　2　单轴电动转台建模仿真

　　直流伺服电机电枢电路的电压方程式:

其中:T_f为电动机摩擦转矩;

　　T_g为作用在电动机轴上的惯性转矩;

　　T_L为负载转矩。

式中,克服惯性的加速转矩用转动惯量J和角加速度的乘积表示。J为转子以及与电动机转轴相连的负载总的转动惯量。如下方程式所示。

式中,B为粘滞摩擦系数,它表示电动机及与其轴相连的所有负载的粘滞摩擦。又

　　以上四式构成模拟直流电动机的基本方程组,对基本方程组取拉普拉斯变换,并整理后得:

　　其方框图如图1所示。

　　输入一个1°的阶跃信号,整定速度环、位置环的PID参数后,得到系统的响应曲线如图2所示,从图中可以看到系统的稳态精度和响应时间都是令人满意的,稳态精度≤0·001°,最大超调量1·15%,上升时间为0·03s。