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 |
