解決方案
SOLUTION
方案介紹
伺服系統是武器的重要組成部分，其精度指標將直接影響武器整體的性能表現。在實際工作中，存在著許多影響伺服系統性能指標的非線性因素，如齒隙、死區、彈性形變等。其中齒隙對武器伺服系統影響最大，易引起系統振蕩，產生較大的穩態誤差。因此，消隙問題的研究對提高伺服系統性能表現有著很強的指導意義。在高精度武器伺服系統的實際應用中，通常采用雙電機驅動的方式，能夠保證伺服系統在高性能的前提下很好地消除齒隙影響。基于模型設計的齒輪調隙測試平臺主要由可調隙齒輪平臺與基于模型設計的電控系統組成。通過調節可調隙齒輪平臺的齒輪間隙，轉子慣量，與負載大小可以研究各種工況下的雙電機齒輪調隙控制方法，通過基于模型設計的電控系統，可以很方便的進行算法比較與迭代。
系統拓撲如下所示
圖1 基于模型設計的雙電機齒輪調隙測試平臺
系統實物參考如圖2所示
圖2基于模型設計的雙電機齒輪調隙測試平臺實物系統參考圖
系統特點
1、雙電機齒輪可調隙，通過手柄改變齒輪間隙，間隙大小通過位移表標示。
2、可調隙平臺的轉子慣量，平衡性可以靈活調節
3、可調隙平臺的負載可以由上位機加載系統自動控制
4、永磁同步電機驅動器采用開放式結構，可以用嵌入式控制器控制，也可以用快速原型控制器控制。
5、系統配置了YXSPACE-SP2000快速原型控制器，性價比搞，可以實現算法代碼自動生成，算法評估快速迭代。
6、系統提供算法樣例供快速評估或者迭代。
系統典型配置清單
表1 系統典型配置清單
| 序號 | 產品名稱 | 備注 |
| 1 | 可調隙雙電機齒輪臺架 | 1、2臺 0.75kW交流永磁電機,48V 2、定制齒輪箱，齒輪傳動比3：1 3、齒輪間隙調隙與標示裝置 4、轉矩傳感器 20NM，4000RPM 5、23位絕對值位置跟蹤傳感器 6、三組可調慣性輪（3-10倍電機轉動慣量可調） 7、磁粉制動器20NM 8、高端鋁合金桌面式臺架 |
| 2 | 測試電機逆變器（DC-AC） | 1、拓撲結構按需配置，典型三相兩電平 2、功率器件按按需配置，典型IGBT,SIC，MOS 3、硬件結構開放，在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化設計，各個模塊方便替換 4、可同時具備TMS320F28335 DSP核心板控制器與RCP控制器接口 5、健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等 6、人機交互：具備LCD顯示屏，可通過顯示屏查看并設置各種參數，用戶也通過RS485通訊口連接PC機，提供通訊規約，可以查詢模塊的狀態信息，實時波形，下發操作指令。 |
| 3 | 磁粉制動器控制器 | 1、可編程 2、24V 3A |
| 4 | 快速原型控制器 | 1、按需求配置 SP1000\SP2000\SP6000 2 支持Simulink代碼自動生成和基于模型的程序設計；算法的Simulink模型可直接仿真下載到快速原型控制器的過程，能方便地使用Matlab/Simulink進行控制算法設計并在線實時仿真的功能，無需了解軟硬件實現及編程過程，就能進行控制設計和調試。 3 控制器需采用雙DSP+多組FPGA雙核結構，主控制器采用TMS320F28377，雙核200MHZ*2主頻，超快的運算速度、封裝的底層驅動，方便進行電力電子、電機驅動等復雜算法的研究。 4 具備自主編寫的驅動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數據直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。多種庫文件，可適用于各種工程調試需求。 5 用戶可以隨意拖拽即可完成與硬件的連接，同時，配套了組態式的上位機，可以查看模型中任何的中間變量，可隨時觀測各種關鍵變量，從而做出相應參數上的更改。 6 需采用總線擴展方式，采用插卡方式，各個子板卡可進行擴展，不接受單板卡方式。用戶根據實際功能需求，可以靈活配置板卡種類，基本配置是CPU板卡、模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數字輸出DO板卡、數組輸入DI板卡、脈寬調制PWM板卡。 |
| 5 | 基于模型開發快速原型監控系統 | 1、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結合在一起，下載到控制器中執行，控制器運行過程中，此軟件可以將Simulink模型中想要查看的各類控制量直觀顯示，也可以隨時修改各類控制參數，讓控制器實時響應，從而實現了真正的在線仿真。 2、在線仿真運行界面，采用組態方式，科研者根據自己需求，可以隨意添加控件，具備實時錄波功能，可完整錄制整體系統運行的波形數據，同時數據可以保存為mat和xls格式，波形數據可以通過matlab軟件直接打開并查看。 3、軟件具備三類設置，包括通信IP、板卡的數量設置；PWM設置，主要指示PWM的頻率值，死區值，以及動作有效值，編碼器精度值等；顯示界面設置，用于最終的數據查看以及設置。顯示界面中包括遙控、遙調、遙信、遙測、示波器控件。 4、組態化軟件需具備遙控、遙調、遙信、遙測、示波器控件。 5、系統需具備以下配置功能： 通訊設置，主要設置通信的IP地址； PWM_A設置，對PWM_A板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區值，倍頻值，互補設置，相位使能等； PWM_B設置，對PWM_B板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區值，倍頻值，互補設置，相位使能等； DO設置，主要設置DO的控制源，要么由simulink模型控制，要么由rcp軟件控制； QEP設置，主要設置編碼器的精度。 開始通信：表示仿真機與RCP建立通信關系； 停止通信：表示仿真機與RCP斷開通信關系； 復位：表示對仿真機整體進行復位操作； 保護：通過保護界面設置值，可以輔助仿真機按照極限值進行保護； 啟動仿真：通知仿真機運行simulink模型； 開始錄播：將仿真機上傳的值保存，以便分析查看。 |
| 6 | 開放式功率硬件開發系統 | 1、生成代碼的模型例程 2、雙電機齒輪調隙例程 3、系統調試 |
| 7 | 電機加載測試管理系統 | 1、監控數據管理 轉矩、扭矩實時波形顯示、記錄，變流器電壓、電流、功率等數據記錄 2、負載加載可編程控制。可以通過軟件下發預設加載數值與加載曲線。 |
| 8 | 高精度可編程直流源 | 按需求配置，研旭高精度可編程直流源價廉物美，超高性價比。 |
系統控制原理
雙電機消隙伺服系統是由電流環、速度環、位置環構成的三環閉環控制。電流環與速度環通過各自反饋控制減小非線性干擾對系統的影響。位置環直接影響系統對目標的截獲、跟蹤等功能的速度與精度。同步控制器通過差速負反饋控制實現抑制兩個電機速度不一致時引起的差速振蕩功能。消隙模塊通過輸出消隙變偏置電流實現消隙功能，消隙偏置電流和差速負反饋控制信號均直接作用于系統電流環。
系統控制結構原理框圖
主要設備參考說明
齒輪可調隙臺架
臺架透視圖
臺架圖
快速原型控制器——YXSPACE-SP2000
在產品研發前期、算法驗證階段，若采用實際控制器進行控制時，存在周期長、可靠性差等問題。若采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping簡稱RCP），那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的驗證。
RCP系統在新能源領域有著巨大的應用潛力，比如光伏變流器、風機變流器、儲能變流器等電力電子變換器。只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型，下載到YXSPACE控制器中，即可實現控制過程。從而開發者可以不用研究任何控制芯片，以及任何嵌入式編程語言，只需要把所有精力放在核心控制算法的研究上面。
南京研旭電氣科技有限公司，始終致力于新能源各類產品的研究，也與很多科研院所以及高校建立了深厚的合作關系。多年來積累了很多寶貴的經驗，同時也接收很多合作單位的寶貴建議，從而研旭研發出快速控制原型控制器YXSPACE系列。
YXSPACE-SP2000（以下簡稱SP2000）采用TI公司的C2000系列DSP-F28xx作為核心控制器。研旭選擇此款DSP，正是由于其被廣泛應用與各類新能源產品當中。所以SP2000快速控制原型在滿足控制需求的情況下，更能貼近實際產品，為開發者提供更為可靠的驗證結果。SP2000作為SP1000的升級版本，除了在外設資源方面多于SP1000，更是在CPU處理能力上做了提升，為更加復雜的控制場合提供了保障。
實物圖片如圖8、9所示。
圖8 SP2000正面
圖9 SP2000反面
YXSPACE獨特優點
（1）采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結果針對實際研究更具有參考性；
（2）在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼，自動加載到實時目標機中運行，避免了繁瑣的編程和Debug工作
（3）使用門檻低，會Matlab仿真即可完成實驗測試工作，所有測試工作只需一人即可完成
（4）模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件各類細節，免去一切不必要的麻煩；
（5）性價比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
（6）具備自主編寫的驅動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數據直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件，可適用于各種工程調試需求。
（7）模型轉換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉換后的源碼
研旭SP2000采用外擴插卡式結構，簡潔輕便，板卡資源如下表4.1所示：
研旭電氣專門為SP2000研發了一套上位機監控軟件VIEW2000軟件。VIEW2000軟件主要參考下節基于模型開發快速原型監控系統。
VIEW2000軟件簡介
研旭電氣專門為SP2000研發了一套上位機監控軟件VIEW2000軟件。
VIEW2000軟件中包含控制器設置以及組態區。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。如圖4.13所示。
圖4.14 View2000軟件示意
在實際使用中，用戶只需用鼠標拖動各類控件，移至工作區當中，位置根據需求隨意放置。雙擊控件即可設置控件的地址號，這樣可完成控件與模型或者硬件的建立關系，操作極其簡便。
SP2000驅動庫
研旭自行開發了Simulink驅動庫，如下圖所示：
圖4.15 研旭驅動庫
電機測試管理系統
電機測試管理系統，主要實現加載機組的監控管理，其主要功能讀取轉矩傳感器、加載電機變流器等相關數據，顯示轉速、轉矩實時波形，電壓、電流、功率等監控數據，相關數據可以錄波，并進行導出。
通過與變流器通信，可實現負載可編程，可以按照指定曲線進行加載。進而可以實現加載系統的自動化。例如可以進行進行突加載、突減載等相關測試。
其界面如圖所示
圖4.26 電機測試管理系統
高精度可編程直流源
研旭YXPHD系列高壓大功率可編程直流電源采用全數字控制技術，在4U機箱體積內功率可實現20kVA，輸出電壓可達到750V，輸出電流可達到25A-50A。
研旭YXPHD系列可編程直流電源帶主動式PFC，功率因素高達0.99，是采用PWM技術的高頻開關式直流電源，模塊化設計，采用先進的DSP數字控制技術，具有恒壓、恒流、恒功率模式輸出，可自動交叉變換，維持控制與保護兼顧特性，確保直流電源輸出的高精度、低紋波、快速瞬態響應，且效率高達93%；產品主要定位于電子電力生產、蓄電池行業、PCB板制造行業及通訊、PLC供電、機電老化試驗、自動測試系統集成、醫療器械、工業、電池充電及模擬、混合動力汽車與光伏逆變器測試研究單位、實驗室對高精度直流電源的需求。
圖4.29 YXPHD電源外觀
系統特性
■ 功率容量5kW-20kW，輸出電壓可達50V-750V，輸出電流可達25A~100A
■ 高頻隔離，帶主動PFC功能，滿載功率因數0.99；
■ 最大工作效率≧95.8% 滿載工作效率可達≧95.2%；
■ 采用7寸液晶觸摸顯示屏；
■ 全數位設計，輸出電壓、電流及功率測量顯示功能；
■ 支持輸入過/欠壓保護、輸入過流保護；
■ 支持輸出過壓，過流短路保護功能、以及過溫度保護功能；
微信公眾號
