控制系統(tǒng)硬件在回路實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的dSPACE實(shí)現(xiàn)
宋科，劉衛(wèi)國(guó)，駱光照
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：應(yīng)用dSPACE半物理仿真系統(tǒng)，研制一套電動(dòng)伺服系統(tǒng)硬件在回路實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。研究了基于dSPACE系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)流程，設(shè)計(jì)了一種適合于多種類(lèi)型電機(jī)的通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，最后在該實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及控制的有效性。研究成果表明，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大大提高了研究工作的效率。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制；實(shí)時(shí)仿真；硬件在回路；dSPACE
中圖分類(lèi)號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)04—0028—04
引言
電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的時(shí)變多變量系統(tǒng)，并且實(shí)際機(jī)械負(fù)載也往往具有死區(qū)、摩擦等強(qiáng)非線性特性，所以，在傳統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真研究中，電機(jī)及負(fù)載模型都是在一定假設(shè)條件下的簡(jiǎn)化模型，與實(shí)際對(duì)象存在差異。另一方面，純數(shù)字離線仿真元法考慮到包括實(shí)際處理器的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)器的限制、中斷及I／O接口電路電氣特性等諸多因素。因此，采用這種方法設(shè)計(jì)得到的控制算法在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法取得理想效果。而在采用單片機(jī)或DSP的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不僅需要手工編寫(xiě)大量算法，而且需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的接口電路及驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、重復(fù)性工作多�，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展為上述問(wèn)題的解決提供了很好的工具。dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與MAT-LAB／Simulink無(wú)縫鏈接，并支持代碼的自動(dòng)生成，實(shí)現(xiàn)了從基于MATLAB／Simulink的純數(shù)字離線仿真到硬件在回路的半物理實(shí)時(shí)仿真的快速過(guò)渡。目前，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中在國(guó)外已經(jīng)得到了應(yīng)用[1-5]，而在國(guó)內(nèi)僅有極少數(shù)的院校開(kāi)展了這方面的研究[6-8]。
本文結(jié)合dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，研究了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件在回路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的研制。在此平臺(tái)上研究了稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1基于dSPACE的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)
1．1實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從集成了處理器與輸入、輸出接口的單板系統(tǒng)(DSll03、DSll04)到整合了PowerPC處理器及高速信號(hào)處理芯片的標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)DSl005、DSl006，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)及豐富的軟件資源。本系統(tǒng)采用DSl005PPC組件系統(tǒng)，處理器包括IBM PowerPC750GX與TMS2407數(shù)字處理芯片，通過(guò)內(nèi)部32位PHS總線與各接口模塊相連接。在外圍接口電路中，16位5路高速并行DS2001模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短可達(dá)到0．9μs，保證了對(duì)多相電流的高速、同步采樣。同時(shí)，DS4002多功能數(shù)字IYO模塊實(shí)現(xiàn)32路數(shù)字量L／O通道的循環(huán)采樣，并且利用另外8路高速I(mǎi)／O通道實(shí)現(xiàn)PWM的生成、任意信號(hào)的發(fā)生及定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。另外，采用DS3002增量式編碼盤(pán)接口，快速獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。如圖1所示。
該驅(qū)動(dòng)及功率主電路，如圖2所示。額定功率為3 kVA，可用于驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式異步
電動(dòng)機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)等，主要包括：三相全橋整流電路及IGBT逆變橋電路、PWM死區(qū)生成(圖中未畫(huà)出)及隔離放大電路、檢測(cè)及保護(hù)電路三部分。其中，6路：PWM調(diào)制信號(hào)經(jīng)硬件死區(qū)生成電路后(死區(qū)時(shí)間t=5μs，再經(jīng)T12250隔離放大后控制IG—BT模塊的通斷。同時(shí)，針對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的過(guò)流、過(guò)壓等故障，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)主電路輸出端U、V兩相的電流iv、iv及母線電壓璣，一旦故障發(fā)生，立即將PWM封鎖信號(hào)BRA置為低電平，使全部IGBT模塊迅速關(guān)斷。另外，為防止電機(jī)起動(dòng)時(shí)大電流沖擊、IGBT過(guò)熱等問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了延時(shí)起動(dòng)、IGBT模塊的過(guò)熱檢測(cè)及保護(hù)、電機(jī)急停、能耗制動(dòng)、故障復(fù)位等其它輔助功能。
1．2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程
基于dSPACE的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。主計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行Matlab／Sireulink下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真及運(yùn)行C(mtrodesk等實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件。當(dāng)離線仿真結(jié)束后，利用MATLAB的實(shí)時(shí)工作庫(kù)(RTW)與dsPAcE系統(tǒng)的實(shí)時(shí)接口庫(kù)(RTI)，算法 |
