控制系統硬件在回路實時仿真實驗平臺的dSPACE實現
宋科，劉衛國，駱光照
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：應用dSPACE半物理仿真系統，研制一套電動伺服系統硬件在回路實時仿真實驗平臺。研究了基于dSPACE系統的運動控制系統半物理仿真實驗平臺的系統結構及開發流程，設計了一種適合于多種類型電機的通用電機驅動裝置，最后在該實時仿真實驗平臺上研究了無刷直流電動機伺服控制系統的設計，并通過實驗結果驗證了系統設計的合理性及控制的有效性。研究成果表明，dSPACE實時仿真系統為運動控制系統的研究與開發提供了一個良好的實驗平臺，大大提高了研究工作的效率。
關鍵詞：運動控制；實時仿真；硬件在回路；dSPACE
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)04—0028—04
引言
電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的時變多變量系統，并且實際機械負載也往往具有死區、摩擦等強非線性特性，所以，在傳統的純數字離線仿真研究中，電機及負載模型都是在一定假設條件下的簡化模型，與實際對象存在差異。另一方面，純數字離線仿真元法考慮到包括實際處理器的運算能力、存儲器的限制、中斷及I／O接口電路電氣特性等諸多因素。因此，采用這種方法設計得到的控制算法在實際應用中無法取得理想效果。而在采用單片機或DSP的數字運動控制系統開發過程中，不僅需要手工編寫大量算法，而且需要開發相應的接口電路及驅動檢測裝置，開發周期長、重復性工作多。現代仿真技術的發展為上述問題的解決提供了很好的工具。dSPACE實時仿真系統實現了與MAT-LAB／Simulink無縫鏈接，并支持代碼的自動生成，實現了從基于MATLAB／Simulink的純數字離線仿真到硬件在回路的半物理實時仿真的快速過渡。目前，dSPACE實時仿真系統在運動控制系統開發應用中在國外已經得到了應用[1-5]，而在國內僅有極少數的院校開展了這方面的研究[6-8]。
本文結合dSPACE實時仿真系統，研究了運動控制系統硬件在回路實驗平臺的系統結構及通用電機驅動裝置的研制。在此平臺上研究了稀土永磁無刷直流電動機伺服控制系統，并給出了相應的實驗結果。
1基于dSPACE的運動控制實時仿真平臺
1．1實時仿真平臺系統結構
從集成了處理器與輸入、輸出接口的單板系統(DSll03、DSll04)到整合了PowerPC處理器及高速信號處理芯片的標準組件系統DSl005、DSl006，dSPACE實時仿真系統為運動控制系統的開發提供了強大的硬件系統及豐富的軟件資源。本系統采用DSl005PPC組件系統，處理器包括IBM PowerPC750GX與TMS2407數字處理芯片，通過內部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模數轉換模塊的轉換時間最短可達到0．9μs，保證了對多相電流的高速、同步采樣。同時，DS4002多功能數字IYO模塊實現32路數字量L／O通道的循環采樣，并且利用另外8路高速I／O通道實現PWM的生成、任意信號的發生及定時、計數等功能。另外，采用DS3002增量式編碼盤接口，快速獲取電機轉子位置信號，實現位置、轉速的閉環控制。如圖1所示。
該驅動及功率主電路，如圖2所示。額定功率為3 kVA，可用于驅動無刷直流電動機、感應式異步
電動機及同步電動機等，主要包括：三相全橋整流電路及IGBT逆變橋電路、PWM死區生成(圖中未畫出)及隔離放大電路、檢測及保護電路三部分。其中，6路：PWM調制信號經硬件死區生成電路后(死區時間t=5μs，再經T12250隔離放大后控制IG—BT模塊的通斷。同時，針對電機運行過程中可能發生的過流、過壓等故障，系統實時檢測主電路輸出端U、V兩相的電流iv、iv及母線電壓璣，一旦故障發生，立即將PWM封鎖信號BRA置為低電平，使全部IGBT模塊迅速關斷。另外，為防止電機起動時大電流沖擊、IGBT過熱等問題，系統設計了延時起動、IGBT模塊的過熱檢測及保護、電機急停、能耗制動、故障復位等其它輔助功能。
1．2系統開發流程
基于dSPACE的運動控制系統半物理仿真實驗平臺的軟件開發流程如圖3所示。主計算機主要進行Matlab／Sireulink下運動控制系統的純數字離線仿真及運行C(mtrodesk等實驗測試軟件。當離線仿真結束后，利用MATLAB的實時工作庫(RTW)與dsPAcE系統的實時接口庫(RTI)，算法定義與I／O接口，經編譯鏈接后便可自動得到目標程序，下載到DSAP(：E系統中。同時，結合Controldesk、Ml南／MTRAcE等工具軟件，可以方便地實現對電機運行過程的實時監控、參數在線修改、數據捕獲及與上位機的實時數據通訊。
2 dSPACE在無刷直流電動機中的應用
2．1 dSPACE系統中無刷直流電動機實時控制模型
無刷直流電動機伺服控制系統在線模型如圖4所示
主要劃分為信號的輸入／輸出模塊、檢測與保護模塊、速度調節模塊、換相模塊等多個功能模塊。其中，轉速給定信號采用DS2102模擬實際電位器(SPEED sET)，輸出電壓(Dc 0—5 V)，對應0一lO 000∥min，再通過DS2001模數轉換模塊讀入(ANALOG SAMtLING)，并結合正／反轉切換信號確定電機的轉速設定值及方向。轉速測量采用dSAPCE提供的RTI模塊DS4002FTODl，與給定轉速比較后，差值通過轉速調節器ASR輸出當前控制量即PWM占空比。同時，根據DS4002檢測三相霍爾位置傳感器信號(HALL SAMPLING)，根據表1得到各開關器件的通斷信號。同時，系統實時檢測逆變器母線電流、電壓及緊急停機指令，當電機發生嚴重過流、過／欠壓或緊急停車時，通過軟件中斷方式，在BRA模塊輸出一路低電平至TL2250驅動芯片的2腳，封鎖PWM的輸出信號。
2．1．1轉速調節器設計
在無刷直流電動機可逆調速系統中，為防止在電機起動過程、頻繁換向過程及電機繞組短路、器件故障或堵轉等極限情況下，過大的電樞電流對電機繞組及功率器件的損害，電機速度控制器中采用了基于電流截止負反饋與比例積分(PJ)控制相結合的方法。轉速控制器可表示為：
式中：Id表示電機的母線電流，Idt表示電機的母線電流的允許的上限值，一般取電機額定電流的1．5—2倍。母線電流由DS2001模塊讀入，并經二階切比雪夫低通濾波器去除噪聲后，與瓦設定值進行比較。當Id超出允許值時，為防止誤操作，采取5次連續采樣與判斷，一旦確認為過流故障，通過減小PwM信號占空比，使加在電樞繞組上的電壓迅速降低，防止電機長時間工作在過流狀態。
2．1．2換相模塊設計
電動機工作模式為二相導通Y型繞組三相六狀態，開關管的導通規律如表1所示。
在一個周期內，各個開關管分別導通120。電角度，當轉子轉過60。電角度時進行一次換相。根據轉速切換信號判斷正／反轉工作狀態，依據相應的換相邏輯控制各功率器件通斷。設電機為順時針旋轉，無刷直流電動機各相的切換及PwM調節功能的實現如圖5所示。圖中，In2是DS4002多功能數字量模塊得到的電機三相霍爾傳感器位置信號ha、hb、hc，依據表1所示的邏輯關系，經邏輯運算后得到不同轉子位置處對應開關器件的導通狀態，與控制輸出量相與，作為實際的控制占空比輸出到PwM生成RTI模塊。DS4002PWM3一OuT中。
2.2實驗系統及實驗結果
實驗系統如圖6所示，主要包括：監控計算機、dSPACE主機及接口、電機及驅動裝置、轉矩加載臺等四部分。
實驗電機采用某新型稀土永磁無刷直流電動機，極對數p=2，額定功率為pN=30 w，額定電壓為UN=46 V，額定轉速nN=12 000 r／min。母線電壓為27 V，開關頻率f=10 kHz時，負載轉矩孔=200 g·cm，系統采樣頻率f=1 000 Hz。當k5．5s，電機轉速給定值n=l 800 r／min增加到3 000 r／min，轉速調節器參數：Kp=0．000 15，Kj=0．002。
圖7、圖8分別給出了n=3 000 r／min時電機穩態下線電壓鞏。波形及穩態下相電流，。波形，圖9給出了電機的轉速及轉速調節器輸出控制量(PWM占空比)的動態響應曲線。
從實驗結果可以看出，在電機的加速過程中，隨著控制量的增大，轉速迅速增加。最終大約經過150 ms后，轉速調節器輸出控制量即占空比由原0 69增大到0．82左右，電機轉速亦趨于平穩。
在實驗過程中，利用Controdesk及Mlib／Mtrace等實驗工具軟件，不僅可以編寫可視化的實驗界面，還可以實現模型中眾多變量的實時監測、在線參數調整以及數據的實時捕獲與存儲。為實驗管理與數據后期分析帶來了極大的便利。
3總結與展望
將dSPACE實時仿真系統應用于運動控制系統的研究與開發當中，充分利用該系統提供的強大的數據運算能力及各種成熟的硬件接口電路，結合外圍檢測、驅動電路共同構成硬件在回路的運動控制系統半物理仿真實驗平臺。利用dSPACE系統與MATLAB／Simulink的無縫鏈接技術，實現了從傳統的數字離線仿真過程到硬件在回路半物理仿真的快速過渡，從而克服了傳統純數字離線仿真不能真實代表實際系統及傳統數字運動控制系統手工編程、調試的低效、周期長的缺點，大大提高了運動控制系統研究工作的效率。這也為機器人、電動汽車、數控機床等復雜運動控制系統的研究提供了一個強大的平臺和一種新的研究方法。
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