基于dSPACE的電氣實時控制實驗平臺的設計

劉陵順，張樹團，高艷麗

(海軍航空工程學院控制工程系，山東 煙臺 264001)

0 引言

為培養具有高素質的滿足軍隊需要的新型軍事人才，軍用電氣工程專業必須在實踐教學中貫徹理論與實踐相結合，基礎與創新應用相結合的原則。我們已建設成一個新型開放式的實驗教學環境，它對于提高學生的創新能力和實踐能力具有重要作用。我們基于dSPACE的測試平臺DS1104和自行開發實驗模塊相結合的方式，構建了具有實時快速控制和擴展性強等特色的實驗硬件。實驗平臺可以涵蓋軍用電氣設備設計、軍用電力系統及自動化、軍用電力電子功率變換技術等方面的基礎實驗及創新開發實驗，為快速構建不同類型的電氣實時控制系統提供了方便，具有良好的開放性和擴展性。該實驗平臺采用強電與弱電相結合、軟件與硬件相結合、元件與系統相結合等手段，注重基礎教學兼顧超前研究，實現了實驗內容與手段的推陳出新，體現了軍用電氣工程等學科領域的新技術應用。

1 dSPACE控制系統開發過程

本系統所研究的dSPACE硬件部分是單板系統DS1104，該控制器板由主處理器、輔助DSP、中斷控制器、儲存器、計時器以及主機接口六大部分組成。DS1104控制器板使用了PowerPC處理器來進行浮點運算，處理器主頻為250MHz，運算能力相當強。DS1104控制器板還集成了以美國德州儀器公司的TMS320F240 DSP為核心的I/O子系統，可用來滿足特殊的 I/O要求[1-2]。

基于快速控制原型(RCP)的機電系統仿真技術將電機、功率開關和傳感器等實際對象接入仿真回路，只在仿真軟件中對控制器進行建模，整個仿真系統按照實際時間運行;這樣的半實物仿真更加貼近實際情況，因而可以獲得實驗系統的準確信息。基于Matlab/Simulink的dSPACE實時仿真系統是機電工業中著名的RCP開發平臺。

Matlab提供了基于RTW(Real-Time Workshop)的實時開發環境。通過RTW能直接將Simulink模型轉化為適合于目標配置的優化代碼。dSPACE使用實時接口軟件RTI(Real-Time Interface)對Matlab的RTW進行擴展，進而可與Matlab/Simulink無縫連接。RTI將dSPACE的代碼生成與下載軟件集成到Matlab中，作為Matlab的一個工具箱。用戶可以通過圖標的方式非常方便地在 Simulink環境中配置實際系統的I/O接口，并可以將 Simulink模型自動生成實時代碼，下載到dSPACE的硬件系統上。dSPACE的綜合實驗與測試軟件ControlDesk對運行在dSPACE硬件上的實時程序進行監控，以可視化界面對仿真過程進行控制和參數的在線調整。開發過程如圖1所示。

圖1 基于dSPACE的實驗平臺開發過程

2 電氣實時控制實驗平臺的設計

2.1 電氣實時控制實驗平臺的總體設計

根據電力電子技術與電力拖動驅動系統的結構與運行特點，本文提出離散事件逆變器系統與連續時間電機或電力電子系統解耦的實時仿真框架[3]，建立基于Simulink的電力驅動實時模型庫，利用dSPACE DS1104實時實現軍用電氣系統中直流電機、異步電機、永磁或電勵磁同步電機、無刷直流電機、電力電子技術中的交流、直流變換器驅動系統的實時控制以及軍用電力系統、電氣設備的實時控制。該實時控制系統具有與實際系統的實時硬件接口，可以與實際控制器、實際電機、實際電力電子變換器等系統直接相連，構成硬件在回路仿真測試或快速控制原形系統，實現對電力電子與電力傳動系統進行測試、教學與施訓。

圖2所示為電氣實時控制實驗平臺的硬件結構圖，具體結構框圖如圖3所示。

圖2 實時控制實驗平臺的硬件結構

圖3 實時控制實驗平臺的結構框圖

實時控制實驗平臺由計算機，dSPACE DS1104板基于專用智能功率模塊IPM的主回路功率變換單元、基于Hall效應傳感器的電流檢測單元和電壓檢測單元和基于光電碼盤的位置(轉速)檢測單元等組成。實驗平臺的電流傳感器用于檢測定子電流，將電機的相電流轉換成微小電流信號，經信號調理電路送入 dSPACE DS1104板內的兩路12位ADC;電壓傳感器用于檢測直流母線電壓，將直流母線電壓轉換成微小電壓信號后，經信號調理電路送入dSPACE DS1104板內的一路12位的ADC。

2.2 檢測與調理電路的設計

dSPACE DS1104的ADC允許輸入的電壓范圍是-10V到+10V，這種雙極性輸入電壓無需直流偏置電路，為交流電壓和交流電流檢測的調理電路設計帶來了方便，如圖4所示。

圖4 采樣與調理電路

光電碼盤將檢測到的轉子位置信號轉換成兩路正交脈沖信號后，直接送入到dSPACE DS1104控制器板的增量編碼器子系統，對檢測到的信號進行相應的運算處理后，由一定的算法產生相應的PWM脈沖信號，直接驅動IPM產生期望的輸出電壓去控制電機的運行。

2.3 故障檢測與綜合系統的設計

dSPACE DS1104還需要負責系統的安全保護。當系統發生過載、過流等異常情況后，智能功率模塊IPM內部集成的保護電路在實施保護動作的同時會發出一個故障報警信號，該信號被送到 dSPACE DS1104相應的引腳，引發外部中斷的同時，觸發PWM脈沖使能電路，用硬件保護方法封鎖PWM脈沖，斷開主電路，使系統停止工作，防止逆變器和電機損壞。

故障檢測與綜合系統如圖5所示[4]。主要對電機繞組電流、直流母線電壓和功率器件故障等進行檢測和處理。對于交流電流信號，采用絕對值電路對交流電流進行整形，送入比較電路與參考電平進行比較;對于直流電壓信號，則直接送入比較電路與參考電平進行比較，最后兩者卻將比較器輸出送入CPLD進行綜合處理。

圖5 故障與檢測電路

由于IPM具有承受短時間過流的能力，如能承受10μs短時間的過電流，則可通過VHDL編程對軟件延遲時間進行調整，使檢測電路避讓5μs以內的過流信號(保持一定的裕度)。

2.4 建立通用的電力傳動系統模型庫

對于圖3所示的傳動系統實時控制實驗平臺，需要建立面向實時仿真的電力傳動系統模型庫。在庫內應包括交流電源、電源與濾波系統、電機機械子系統、逆變器系統、無刷直流電機電氣子系統、永磁同步電機電氣子系統、異步電機電氣子系統、直流電機電氣子系統、PWM控制器、交流電機矢量控制子系統、交流電機直接轉矩控制子系統、速度調節器和測速編碼器等模型。每個模型都按照其物理結構進行建模，每個變量都與其實際具備一一對應的物理關系，可在實時仿真過程中進行實時訪問。

2.5 建立電氣控制系統離線仿真模型

我們利用Matlab/Simulink建立仿真對象的數學模型，設計控制方案，并對系統進行離線仿真。以dSPACE的RT1模塊代替離線仿真中的接口和邏輯信號，得到基于dSPACE的電氣控制系統在線仿真模型，利用dSPACE軟件環境完成程序的編譯與下載，得到控制系統的軟件實現。

3 結語

本文采用基于Matlab/Simulink的控制系統開發及測試平臺DS1104和自行開發實驗模塊相結合的方式構建了具有實時與快速控制的電氣實時控制實驗平臺，該實時控制平臺可與實際電氣系統直接相連，構成硬件在回路仿真測試或快速控制原形系統，實現對軍用電氣系統及其他相關系統進行測試、教學與實訓。該實驗平臺的建立有助于實現多層次和立體化的實踐教學體系，對于滿足不同基礎學生的學習要求，促進學生的創新思維方法和能力的培養具有重要意義。

[1]dSPACE Release New Features and Mgration，Release 4.0[M]，dSPACE Gmbh，2004

[2]張浩.基于dSPACE的交流調速系統實驗平臺設計[J]，南京:電氣電子教學學報，2010，32(1):76-79

[3]盧子廣，柴建云，王祥珩等.電力驅動系統實時控制虛擬實驗平臺[J].北京:中國電機工程學報，2003，23(4):119-123

[4]李勇.基于電力電子技術的異步電機發電技術研究[D].南京:南京航空航天大學，2008，12