王祖進(jìn)，史 翔，貢智兵，顧萍萍，譚文才，王 衛(wèi)

（1. 南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210038；2. 南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210009）

0 引言

傳統(tǒng)的軌道塞拉門設(shè)計(jì)常采用方法是先進(jìn)行門系統(tǒng)的需求分析，然后生產(chǎn)研制出樣機(jī)，然后再進(jìn)行門系統(tǒng)的工作運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要修改設(shè)計(jì)，再加工樣機(jī)，再進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，如此反復(fù)進(jìn)行，設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[1-5]，是以控制理論為核心，加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬性能測(cè)試的一種高新技術(shù)。它可以在很短時(shí)間內(nèi)完成多次物理樣機(jī)無(wú)法完成的仿真試驗(yàn)，分析不同的設(shè)計(jì)方案，直至獲得樣機(jī)模型整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。另外，還能夠進(jìn)行系統(tǒng)不同工況的試驗(yàn)，如不同溫度下的性能測(cè)試等。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但可以降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，而且可以極大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量[6-8]。

因此，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立塞拉門控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)，為門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種仿真模型，降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。首先建立直流無(wú)刷電機(jī)的仿真模型[9-13]，然后對(duì)電源電壓、采樣時(shí)間、載波頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采用速度單閉環(huán)控制對(duì)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗(yàn)證，采用速度、電流雙閉環(huán)控制對(duì)參考輸入速度曲線進(jìn)行仿真分析，將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)PI（Proportional Integral，比例積分）參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到控制系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。

1 建立電機(jī)仿真模型

在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行建模[14-15]，包括：電機(jī)本體建模、三相逆變器建模、換向邏輯控制建模、轉(zhuǎn)速控制建模等。其中采用永磁同步電機(jī)模塊來(lái)搭建直流無(wú)刷電機(jī)，選用直流電壓源，三相逆變器采用Universal Bridge模塊，換向邏輯控制模塊利用三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)、PWM 信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)組合解碼生成逆變橋開關(guān)器件的控制信號(hào)，整個(gè)控制系統(tǒng)采用PWM調(diào)速。

2 參數(shù)設(shè)置

對(duì)電機(jī)仿真模型的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中電機(jī)本體的參數(shù)設(shè)置如表1所示；電源電壓為110 V；三相逆變器的參數(shù)設(shè)置如表2所示；PWM生成器的載波頻率為20 kHz。

表1 電機(jī)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters setting of the motor

3 單閉環(huán)控制

電機(jī)仿真模型建立好以后，需要對(duì)模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為此搭建了如圖1所示的單閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。設(shè)置采樣時(shí)間為5×10-6s，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為 4200 rpm，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3200 rpm，電機(jī)的額定扭矩為0.45 N.m，所以控制系統(tǒng)輸入的目標(biāo)速度為 4200rpm，電機(jī)的負(fù)載 Tm采用階躍信號(hào)，在0到0.1秒之間Tm的值為0，0.1秒以后Tm的值為0.45。

表2 三相逆變器參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters setting of the three-phase inverter

設(shè)置仿真時(shí)間為0.2 s，調(diào)整PI參數(shù)，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，仿真模型中電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速約為4200 rpm，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速約為3200 rpm，從而表明建立的電機(jī)仿真模型和設(shè)置的參數(shù)是正確的。

4 雙閉環(huán)控制

城軌塞門控制系統(tǒng)采用的是速度和電流雙閉環(huán)控制，根據(jù)實(shí)際門控器的控制邏輯建立雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，包括：內(nèi)環(huán)電流PI控制和外環(huán)速度PI控制，如圖3所示。設(shè)置采樣時(shí)間為1×10-5s，控制系統(tǒng)輸入的參考速度曲線如圖4所示。根據(jù)輸入速度曲線，將塞拉門的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為6個(gè)不同的工作區(qū)域，即啟動(dòng)段、加速段、高速段、減速段、緩行段和加強(qiáng)段，每個(gè)運(yùn)動(dòng)階段采用不同的PI參數(shù)進(jìn)行控制。對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到電機(jī)輸出扭矩曲線，如圖5所示，以實(shí)驗(yàn)得到的電機(jī)輸出扭矩作為電機(jī)的負(fù)載Tm。

5 仿真分析

圖1 單閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.1 Single closed loop control system

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of the motor speed

設(shè)置仿真時(shí)間為 3 s，調(diào)整各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的 PI參數(shù)，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6和7所示。若電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流的誤差小于5%，說(shuō)明所建模型的準(zhǔn)確性及仿真分析的可行性；若兩者誤差大于5%，說(shuō)明所建模型與真實(shí)模型存在較大的誤差，調(diào)整PI參數(shù)，直至兩者誤差小于5%，至此，得到控制系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。

6 結(jié)論

基于Matlab/Simulink的模擬仿真功能，提出了一種城軌塞拉門控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立方法。對(duì)整個(gè)門系統(tǒng)的控制過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，最終得到了高精度的虛擬樣機(jī)模型。文中方法避免了傳統(tǒng)分析方法需要在實(shí)際樣機(jī)完成后才能進(jìn)行的缺點(diǎn)，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境就可以定量、準(zhǔn)確分析門系統(tǒng)的控制性能，可大大降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。該方法還可以推廣應(yīng)用到其他類似的復(fù)雜控制系統(tǒng)的仿真分析中，實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有很高的參考價(jià)值。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.3 Double closed loop control system

圖4 參考速度曲線Fig.4 Reference velocity curve

圖5 電機(jī)的輸出扭矩曲線Fig.5 Output torque curve of the motor

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果對(duì)比Fig.6 Results comparison of the motor speed

圖7 電機(jī)電流的結(jié)果對(duì)比Fig.7 Results comparison of the motor current

[1] 袁亮, 于春梅. 虛擬樣機(jī)環(huán)境下機(jī)械臂模型驗(yàn)證與控制系統(tǒng)仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2016, (5): 5-8.

[2] 于春梅, 易奎, 侯惠讓, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014, 31(2): 82-84.

[3] 常文泰, 張冉, 王利華, 等. 虛擬樣機(jī)技術(shù)及虛擬樣機(jī)試驗(yàn)[J]. 軟件, 2016, 37(7): 84-88.

[4] 周進(jìn), 張東升, 梅雪松, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)傾轉(zhuǎn)四旋翼飛行器聯(lián)合仿真[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2015, 32(1): 94-98.

[5] 張靜波, 程力, 胡慧斌, 等. 基于虛擬樣機(jī)的反后坐裝置故障仿真技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2012, 20(5):1287-1289.

[6] 王蕾. 虛擬樣機(jī)技術(shù)在某懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 汽車工業(yè)研究, 2017, (4): 54-59.

[7] 伍經(jīng)紋, 徐世許, 王鵬, 等. 基于Adams的三自由度Delta機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J]. 軟件, 2017, 38(6): 108-112.

[8] 湯曉燕, 劉少軍, 云忠. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的深海采礦主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,34(5): 454-458.

[9] 孟姍, 張學(xué)鋒. 基于Simulink的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 智慧工廠, 2017, (2): 50-54.

[10] 程啟明, 楊小龍, 高杰, 等. 基于參數(shù)可變PID控制器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2017,44(1): 18-22.

[11] 徐志書, 李超, 何雨昂. 基于Matlab/Simulink方波直流無(wú)刷電機(jī)位置伺服仿真研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2016,(10): 136-137.

[12] 趙海良. 智能控制系統(tǒng)仿真技術(shù)分析[J]. 軟件, 2011, 32(7):15-20.

[13] 魏江鵬, 文程祥, 涂世軍. 基于Matlab的永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真控制系統(tǒng)[J]. 裝備制造技術(shù), 2016, (12): 47-48.

[14] 謝少華, 瞿遂春. 基于Matlab的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 新型工業(yè)化, 2015, 5(3): 28-34.

[15] 張旭. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)BUCK直流變換仿真[J].新型工業(yè)化, 2016, 6(7): 56-60.