基于dSPACE的伺服控制模型實時仿真研究
陳鵬展，唐小琦，李銀剛
（華中科技大學，湖北武漢430074）
摘要：利用dSPACE組件系統(tǒng)構建了伺服系統(tǒng)實時仿真平臺，以伺服控制中電流環(huán)解耦、速度環(huán)參數(shù)自整定和位置環(huán)前饋控制等問題為研究對象，設計了相應的控制算法和仿真模型，利用已構建仿真平臺的軟硬件環(huán)境，進行了控制模型的實時仿真研究，得到了滿意的伺服控制結構和控制參數(shù)。
關鍵詞：伺服控制；dSPACE:實時仿真；控制模型
中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -70IS(2008) 09 -0025 -03
0引 言
伺服控制系統(tǒng)設計一般經歷從離線仿真到控制器實物原型驗證的開發(fā)流程，隨著各種伺服控制策略不斷涌現(xiàn)，這種開發(fā)流程已不能滿足快速算法驗證和控制器原型極限性能測試等應用需要，必須采用新的技術手段。
實時仿真已逐漸成為各種控制系統(tǒng)設計的重要工具，實時仿真是指有實物介入仿真回路，仿真模型的時間標尺與真實系統(tǒng)的時間標尺完全相同的仿真【1】。由于實時仿真在仿真回路中介入了難以建立精確數(shù)學模型的部分實物，提高了仿真結果的置信度，并且實時仍真能夠對控制算法或系統(tǒng)模型在運行過程中的具體狀態(tài)進行準確描述，為深入了解系統(tǒng)的性能提供了有效途徑。
利用實時仿真技術進行伺服系統(tǒng)開發(fā)，不僅可以快速對控制算法進行驗證，及時消除設計缺陷，縮短研發(fā)周期，而且可以對控制原型進行極限測試，全面考察控制器開發(fā)質量以及控制算法可靠程度。本文針對伺服系統(tǒng)的研制開發(fā)需要，構建了伺服系統(tǒng)實時仿真平臺，并在構建的平臺中對伺服系統(tǒng)控制
1實時仿真平臺構建
dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)設計及測試用的工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink環(huán)境的完全無縫連接衛(wèi)。在-VIATLAB/dSPACE仿真環(huán)境中，可以方便地進行各種控制算法設計、代碼自動生成和程序下載運行，縮短了從模型設計到仿真驗證的過渡時間；不僅如此，dSPACE實時仿真系統(tǒng)還提供了多種穩(wěn)定可靠的硬件接口卡，可以將各種控制相關對象接入仿真平臺構成了完整的控制回路，使得到的驗證結果具有與實際運行情況等同的置信度；因此，dSPACE仿真系統(tǒng)能夠較好地滿足伺服系統(tǒng)控制模型對實時仿真平臺的功能需求。本文根據(jù)伺服控制過程信號接口要求，逸用了以DS1005處理器板為核心，選配了DS2002、DS2103、DS3001及DS4201等擴展接口卡的dSPACE組件系統(tǒng)以及伺服電動機和功率驅動模塊共同構建了伺服控制模型實時仿真平臺，仿真平臺的硬件結構如圖1所示。
在圖l中，通過dSPACE組件系統(tǒng)中的各種硬件接口卡，伺服控制相關的輸入輸出信號被接入實時仿真平臺，dSPACE組件系統(tǒng)、伺服電機和功率驅動構成了一個獨立完整的伺服控制回路。為了完成伺服控制過程實旋，必須構造能夠進行硬件操作的接口仿真模型，通過模型來對各種接口信號進行處理，得到或輸出相應的信號量。伺服系統(tǒng)控制中需要的接口處理模型一般有以下幾個部分：轉子位置檢測模型、定子電流檢測模型、電壓空間矢量產生模型和速度檢測模型。根據(jù)上述接口處理模型的功能需求，本文利用dSPACE提供的板卡應用函數(shù)設計了對應的接口仿真模型庫，如圖2所示，通過調用對應的接口模型可以實現(xiàn)控制算法所需的接口信號操作和處理過程。
2控制模型實時仿真
基于dSPACE的實時仿真過程一般包含以下幾個步驟：
(1)分析控制過程及被控對象的特征，設計控制方案，建立仿真模型；
(2)根據(jù)建模結果，利用實時工作間將其生成實時代碼并自動下載到dSPACE組件系統(tǒng)中；
(3)用dSPACE提供的綜合試驗與測試環(huán)境軟件Control Desk和自動實驗及參數(shù)調整軟件MLIB/MTRACE軟件對實時仿真數(shù)據(jù)進行獲取、聯(lián)機改變參數(shù)并進行仿真，進行控制參數(shù)優(yōu)化。按照上述步驟，本文實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)中幾種控制模型的實時仿真。
2.1電流環(huán)反饋解耦實時傷真
三相交流永磁同步電動機的狀態(tài)方程為【3】
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