实时仿真技术在运动控制系统中的应用

杨前，刘卫国，骆光照

(西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：实时仿真技术可以在不需要控制器原型参与的条件下完成控制算法的眭能评估，dSPACE系统是实时仿真技术研究的良好应用平台，它提供了真正实时的控制方式以满足不同系统的控制要求。基于MATLAB／Simulink建立了速度和电流双闭环的永磁同步电动机直接转矩控制的实时仿真控制模型。通过dSPACE实时仿真系统以及相应的功率驱动电路，实现了永磁同步电动机的运动控制，获得了满意的控制效果。

    关键词：实时仿真；运动控制；dSPACE；承磁同步电动机；直接转矩控制

    中图分类号：TM343  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0004—04

引言

    仿真是借助于计算机和其它相关的硬件设备，通过模型对系统进行研究的方法。实时仿真技术是在考虑实时仿真算法、仿真系统的时序、时间同步以及时间延迟和补偿的基础上对系统进行的动态仿真，它是模型系统在实际条件下实时运行的真实反映。与数字仿真相比，实时仿真的****优势在于设计的系统能够直接作用于被控对象。由于被控对象直接参与验证过程，立即就能够对所设计系统的有效性进行评估。所以在一般的工业领域，采用实时仿真技术不但能够大大地缩短系统研发周期，还能够有效降低系统研发成本。

    在当今的自动化技术中，运动控制系统代表着用途****而又最复杂的任务。运动控制系统的发展能够实现驱动控制功能的多样化和复杂性，满足不同的生产要求。而伺服控制技术是实现驱动控制功能的基础与关键技术之一^[2]。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具有优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统调速的范围，能够适应高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁电机在工生产自动化领域中的应用越来越广泛。

    本文研究基于dSPACE实时仿真系统的实时仿真技术的相关原理，并通过速度与电流双闭环的永磁同步电动机直接转矩控制实例来阐述实时仿真技术在运动控制系统中的应用原理。

1实时仿真技术分析

    应用实时仿真技术设计运动控制系统的方法如图1所示．

   根据给定系统的设计指标完成整个运动控制系统的数字仿真.当离线仿真获得满意结果后，将受控对象隔离出来，通过相应的接口模块将控制器连时工作组(RTw)进行扩展，将实时仿真模型生成实时代码，并自动编译、连接、下载到实时硬件中。实时硬件与外部驱动电路连接，完成控制功能与反馈信号采集。contmlDesk提供对试验过程的综合管理，在线参数调整，建立用户虚拟仪表以及实时观测控制效果等功能。

    整流电路将输入的工频电压转换成直流电压，经过滤波作为逆变器的直流母线电压。通过dsPAcE／Ds4002t，wM3-OuT模块产生的PwM控制信号，经过光电隔离电路作为驱动板中逆变器的控制信号控制电动机运行。

4 dSPAcE系统在运动控制系统中的应用举例

    本文给出的永磁同步电动机运动控制系统采用速度环和电流环双闭环的直接转矩控制方法，整个运动控制系统框图如图4所示。

    速度反馈由增量式光电编码器实现。dsPAcE系统的DS3002接口板专门用于增量式编码器信号输入。通过19S3002／POS一B1一c1模块设置可以得到四倍频的反馈脉冲信号。DS3002／POS剐cl模块有两个输出：一个是以脉冲数表示的转子位置信号；另一个是以转子位置差表示的速度信号。由于转子的初始位置可能是任意点，所以必须对转子零位进行校准。通过Ds3002／INDEx B1 cl零位信号检测模块和DS3002／POs—B1一cl位置信号测量模块可以实现永磁同步电动机转子初始位置校准和速度反馈。转子初始位置信号校准子系统如图5所示。

    转子速度测量子系统如图6所示。通常实时仿真的时间步长可以在实时仿真系统硬件条件允许下取任意小。采样时间则根据系统要求的精度，人为设置，最小为实时仿真的时间步长。由于采样时间和实时仿真的时间步长不等长，实际的转子速度是一段时间内转子的平均速度。