控制系统硬件在回路实时仿真实验平台的dSPACE实现
宋科，刘卫国，骆光照
(西北工业大学，陕西西安710072)
摘要：应用dSPACE半物理仿真系统，研制一套电动伺服系统硬件在回路实时仿真实验平台。研究了基于dSPACE系统的运动控制系统半物理仿真实验平台的系统结构及开发流程，设计了一种适合于多种类型电机的通用电机驱动装置，最后在该实时仿真实验平台上研究了无刷直流电动机伺服控制系统的设计，并通过实验结果验证了系统设计的合理性及控制的有效性。研究成果表明，dSPACE实时仿真系统为运动控制系统的研究与开发提供了一个良好的实验平台，大大提高了研究工作的效率。
关键词：运动控制；实时仿真；硬件在回路；dSPACE
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)04—0028—04
引言
电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的时变多变量系统，并且实际机械负载也往往具有死区、摩擦等强非线性特性，所以，在传统的纯数字离线仿真研究中，电机及负载模型都是在一定假设条件下的简化模型，与实际对象存在差异。另一方面，纯数字离线仿真元法考虑到包括实际处理器的运算能力、存储器的限制、中断及I／O接口电路电气特性等诸多因素。因此，采用这种方法设计得到的控制算法在实际应用中无法取得理想效果。而在采用单片机或DSP的数字运动控制系统开发过程中，不仅需要手工编写大量算法，而且需要开发相应的接口电路及驱动检测装置，开发周期长、重复性工作多。现代仿真技术的发展为上述问题的解决提供了很好的工具。dSPACE实时仿真系统实现了与MAT-LAB／Simulink无缝链接，并支持代码的自动生成，实现了从基于MATLAB／Simulink的纯数字离线仿真到硬件在回路的半物理实时仿真的快速过渡。目前，dSPACE实时仿真系统在运动控制系统开发应用中在国外已经得到了应用[1-5]，而在国内仅有极少数的院校开展了这方面的研究[6-8]。
本文结合dSPACE实时仿真系统，研究了运动控制系统硬件在回路实验平台的系统结构及通用电机驱动装置的研制。在此平台上研究了稀土永磁无刷直流电动机伺服控制系统，并给出了相应的实验结果。
1基于dSPACE的运动控制实时仿真平台
1．1实时仿真平台系统结构
从集成了处理器与输入、输出接口的单板系统(DSll03、DSll04)到整合了PowerPC处理器及高速信号处理芯片的标准组件系统DSl005、DSl006，dSPACE实时仿真系统为运动控制系统的开发提供了强大的硬件系统及丰富的软件资源。本系统采用DSl005PPC组件系统，处理器包括IBM PowerPC750GX与TMS2407数字处理芯片，通过内部32位PHS总线与各接口模块相连接。在外围接口电路中，16位5路高速并行DS2001模数转换模块的转换时间最短可达到0．9μs，保证了对多相电流的高速、同步采样。同时，DS4002多功能数字IYO模块实现32路数字量L／O通道的循环采样，并且利用另外8路高速I／O通道实现PWM的生成、任意信号的发生及定时、计数等功能。另外，采用DS3002增量式编码盘接口，快速获取电机转子位置信号，实现位置、转速的闭环控制。如图1所示。
该驱动及功率主电路，如图2所示。额定功率为3 kVA，可用于驱动无刷直流电动机、感应式异步
电动机及同步电动机等，主要包括：三相全桥整流电路及IGBT逆变桥电路、PWM死区生成(图中未画出)及隔离放大电路、检测及保护电路三部分。其中，6路：PWM调制信号经硬件死区生成电路后(死区时间t=5μs，再经T12250隔离放大后控制IG—BT模块的通断。同时，针对电机运行过程中可能发生的过流、过压等故障，系统实时检测主电路输出端U、V两相的电流iv、iv及母线电压玑，一旦故障发生，立即将PWM封锁信号BRA置为低电平，使全部IGBT模块迅速关断。另外，为防止电机起动时大电流冲击、IGBT过热等问题，系统设计了延时起动、IGBT模块的过热检测及保护、电机急停、能耗制动、故障复位等其它辅助功能。
1．2系统开发流程
基于dSPACE的运动控制系统半物理仿真实验平台的软件开发流程如图3所示。主计算机主要进行Matlab／Sireulink下运动控制系统的纯数字离线仿真及运行C(mtrodesk等实验测试软件。当离线仿真结束后，利用MATLAB的实时工作库(RTW)与dsPAcE系统的实时接口库(RTI)，算法 |
