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i_v、i_v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)，算法定义与I／O接口，经编译链接后便可自动得到目标程序，下载到DSAP(：E系统中。同时，结合Controldesk、Ml南／MTRAcE等工具软件，可以方便地实现对电机运行过程的实时监控、参数在线修改、数据捕获及与上位机的实时数据通讯。

2 dSPACE在无刷直流电动机中的应用

2．1 dSPACE系统中无刷直流电动机实时控制模型

    无刷直流电动机伺服控制系统在线模型如图4所示

主要划分为信号的输入／输出模块、检测与保护模块、速度调节模块、换相模块等多个功能模块。其中，转速给定信号采用DS2102模拟实际电位器(SPEED sET)，输出电压(Dc 0—5 V)，对应0一lO 000∥min，再通过DS2001模数转换模块读入(ANALOG SAMtLING)，并结合正／反转切换信号确定电机的转速设定值及方向。转速测量采用dSAPCE提供的RTI模块DS4002FTODl，与给定转速比较后，差值通过转速调节器ASR输出当前控制量即PWM占空比。同时，根据DS4002检测三相霍尔位置传感器信号(HALL SAMPLING)，根据表1得到各开关器件的通断信号。同时，系统实时检测逆变器母线电流、电压及紧急停机指令，当电机发生严重过流、过／欠压或紧急停车时，通过软件中断方式，在BRA模块输出一路低电平至TL2250驱动芯片的2脚，封锁PWM的输出信号。

2．1．1转速调节器设计

    在无刷直流电动机可逆调速系统中，为防止在电机起动过程、频繁换向过程及电机绕组短路、器件故障或堵转等极限情况下，过大的电枢电流对电机绕组及功率器件的损害，电机速度控制器中采用了基于电流截止负反馈与比例积分(PJ)控制相结合的方法。转速控制器可表示为：

式中：I_d表示电机的母线电流，I_dt表示电机的母线电流的允许的上限值，一般取电机额定电流的1．5—2倍。母线电流由DS2001模块读入，并经二阶切比雪夫低通滤波器去除噪声后，与瓦设定值进行比较。当I_d超出允许值时，为防止误操作，采取5次连续采样与判断，一旦确认为过流故障，通过减小PwM信号占空比，使加在电枢绕组上的电压迅速降低，防止电机长时间工作在过流状态。

2．1．2换相模块设计

    电动机工作模式为二相导通Y型绕组三相六状态，开关管的导通规律如表1所示。

在一个周期内，各个开关管分别导通120^。电角度，当转子转过60^。电角度时进行一次换相。根据转速切换信号判断正／反转工作状态，依据相应的换相逻辑控制各功率器件通断。设电机为顺时针旋转，无刷直流电动机各相的切换及PwM调节功能的实现如图5所示。图中，In2是DS4002多功能数字量模块得到的电机三相霍尔传感器位置信号h_a、h_b、h_c，依据表1所示的逻辑关系，经逻辑运算后得到不同转子位置处对应开关器件的导通状态，与控制输出量相与，作为实际的控制占空比输出到PwM生成RTI模块。DS4002PWM3一OuT中。

2.2实验系统及实验结果

    实验系统如图6所示，主要包括：监控计算机、dSPACE主机及接口、电机及驱动装置、转矩加载台等四部分。

实验电机采用某新型稀土永磁无刷直流电动机，极对数p=2，额定功率为p_N=30 w，额定电压为U_N=46 V，额定转速n_N=12 000 r／min。母线电压为27 V，开关频率f=10 kHz时，负载转矩孔=200 g·cm，系统采样频率f=1 000 Hz。当k5．5s，电机转速给定值n=l 800 r／min增加到3 000 r／min，转速调节器参数：K_p=0．000 15，K_j=0．002。

    图7、图8分别给出了n=3 000 r／min时电机稳态下线电压巩。波形及稳态下相电流，。波形，图9给出了电机的转速及转速调节器输出控制量(PWM占空比)的动态响应曲线。

从实验结果可以看出，在电机的加速过程中，随着控制量的增大，转速迅速增加。最终大约经过150 ms后，转速调节器输出控制量即占空比由原0 69增大到0．82左右，电机转速亦趋于平稳。

  在实验过程中，利用Controdesk及Mlib／Mtrace等实验工具软件，不仅可以编写可视化的实验界面，还可以实现模型中众多变量的实时监测、在线参数调整以及数据的实时捕获与存储。为实验管理与数据后期分析带来了极大的便利。

3总结与展望

    将dSPACE实时仿真系统应用于运动控制系统的研究与开发当中，充分利用该系统提供的强大的数据运算能力及各种成熟的硬件接口电路，结合外围检测、驱动电路共同构成硬件在回路的运动控制系统半物理仿真实验平台。利用dSPACE系统与MATLAB／Simulink的无缝链接技术，实现了从传统的数字离线仿真过程到硬件在回路半物理仿真的快速过渡，从而克服了传统纯数字离线仿真不能真实代表实际系统及传统数字运动控制系统手工编程、调试的低效、周期长的缺点，大大提高了运动控制系统研究工作的效率。这也为机器人、电动汽车、数控机床等复杂运动控制系统的研究提供了一个强大的平台和一种新的研究方法。