基于dSPACE快速控制原型的驅動電機控制研究*

王建強，趙　津，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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基于dSPACE快速控制原型的驅動電機控制研究*

王建強，趙津，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：快速控制原型作為半實物仿真技術的一種，其應用使得控制系統的開發、產品型控制器的仿真測試變得更加方便易行，也使得研究人員對控制算法及仿真測試方案的研究更加高效。利用基于dSPACE的快速控制原型建立了實時半實物仿真平臺，實現了電動車驅動電機控制試驗。試驗結果表明，該控制系統能夠實現電動車驅動電機的控制，電機能夠很好的跟蹤控制器輸入的期望轉速，控制效果良好。

關鍵詞:驅動電機dSPACEDS1401ControlDesk

0引言

汽車電動化、智能化是當今汽車技術發展的必然趨勢[1]。電機作為電動車的驅動核心，其控制是電動車開發最為關鍵的技術之一。無刷直流電機(BLDCM)憑借其優越的調速性能(易控制、寬調速范圍、大啟動轉矩、高效率等)成為了電動車驅動電機的首選[2]。但是無刷直流電機作為一個具有高階非線性、時變和強耦合等特性的系統，在仿真系統中要建立精確的數學模型比較困難[3-4]。在電機建模仿真過程中，在各種假設條件下建立簡化的數學模型，不夠精確的電機模型在電機傳動中會使誤差放大，導致控制精度進一步下降，給實際工程應用帶來不便。傳統的電機控制算法開發都是基于各種單片機[5-6]或者現場可編程門陣列(FPGA)[7]等工具，不僅需要大量的程序編寫，使得控制器的開發效率極度降低，而且需要進行電路開發及驅動檢測設計，大大增加了開發周期。再者，先進的控制算法由于其邏輯比較復雜，也無法在傳統單片機等硬件條件下進行驗證，加之電機自身建模簡化帶來的誤差，要精確驗證智能算法更加困難[8]。

在工程應用中，一要盡量避開系統復雜的數學模型，二要避免不斷修改程序等重復性工作。而半實物仿真系統恰好就可以解決這一系列的問題。半實物仿真分為快速控制原型(RCP)和硬件在環(HIL)兩種。快速控制原型是指虛擬控制器和實際的控制對象結合進行仿真，在電動車電機控制開發過程中，此種方法可以大大提高開發效率，縮短開發周期[9-10]。dSPACE實時仿真系統是一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發與測試工作平臺，可與Matlab/Simulink無縫連接，并且其允許反復修改模型設計，進行離線實時仿真，在汽車開發中得到了大量應用。本文基于dSPACE快速控制原型進行了電動車驅動電機的控制，取得了良好的實驗結果。

1實驗平臺

快速控制原型實驗中，所需的dSPACE軟件由RTI(Real Time Interface，離線工具與實時工具的接口)和ControlDesk(測試和實驗軟件工具)兩大部分組成。首先在Matlab/Simulink中建立好控制模型，RTI連接dSPACE和Matlab/Simulink，再通過RTW擴展，把Simulink的控制模型自動下載至硬件中。模型下載至AutoBox后，在軟件ControlDesk中建立工程，雖然模型建立還是在Matlab/Simulink中進行，但是通過RTI實現然后下載至實時仿真硬件后，ControlDesk所建立工程便可以對硬件實時狀態進行圖形化管理、用戶虛擬儀表的建立、變量(參數)的可視化管理、試驗過程自動化等功能。

圖1　基于dSPACE的半實物仿真平臺原理框圖

dSPACE硬件根據不同需求為單板系統和標準組件系統。本文使用的標準組件系統MicroAutoBoxII擁有全面的I/O資源，包括CAN， LIN， K/L line， FlexRay，Ethernet、旁路接口以及可編程FPGA 板卡的變體版本[10]。基于dSPACE的快速控制原型半實物仿真平臺原理框圖如圖1所示。

2驅動電機半實物仿真實驗設計

2.1電機控制結構框圖

dSPACE快速控制原型作為半實物仿真系統的一種，能給電機控制系統的開發中提供高效的硬件系統和足夠的軟件資源。在無刷直流電機控制系統建立的初級階段，PC機作為控制模型建立平臺和人機交互平臺，可以用于在線控制模型設計、下載以及仿真實驗，甚至進一步的代碼生成(dSPACE targetlink功能，本文未用到)。借助dSPACE軟件RTI及ControlDesk的功能，可以快速建立無刷直流電機的控制系統快速控制原型模型，并對整個系統進行多次離線及在線實時試驗，來驗證控制算法模型及所選取軟、硬件的可行性。如圖2所示的半實物仿真電機控制結構框圖，物理設備以實物形式出現在閉環里， 由電機、電機驅動板、變速機構等組成，省去了復雜的建模過程。

圖2　半實物仿真結構框圖

2.2快速控制原型系統設計

基于dSPACE對電動車的無刷直流驅動電機設計了快速控制原型控制系統，定義了各功能模塊，分別是信號采集模塊、轉速測量模塊、換向、使能模塊以及速度控制模塊等，并通過dSPACE/RTI設計了上述四個數字模型與外部硬件實物的接口。

信號采集、轉速測量模塊如圖3所示。信號采集模塊能夠將采集到的物理信號經過A/D轉化，輸出為數字信號。驅動電機轉速測量模塊在本研究中被應用于獲取經編碼器輸出的方波信號，從而計算出電動車驅動電機實時的轉速。

圖3　信號采集和轉速測量模塊

圖4　換向與使能模塊

換向與使能模塊如圖4所示。該模塊提供使用數字輸出的通道方式寫入，實時改變驅動電機的工作狀態。該模塊有兩個模式，第一個模式為0，表示電機正轉或停止；第二個模式為1，表示電機反轉或啟動。

如圖5所示，速度控制模塊對指定的PWM輸出通道更新PWM周期和占空比；占空比的范圍在0～100%，通過設置占空比的值來得到電機相應的轉速。我們設定電動車期望的車速，經過主減速器和差速器等動力傳遞得到如圖6所示的電動車驅動電機輸出期望轉速，從而得到驅動電機所需要的占空比。

圖5　速度控制模塊

圖6　控制器輸出的期望驅動電機轉速

當dSPACE與PC中的Matlab/Simulink建立連接后，選擇了RTI實時接口庫中的信號采集模塊、驅動電機轉速測量模塊、換向與使能模塊和速度控制模塊來建立PWM生成模型、測速模型、換向與啟停模型以及速度控制模型。模塊輸出與硬件端口對應關系如表1所示。將MicroAutoBoxII硬件接口與相應的物理硬件接口相連，從而完成如圖7所示的整個半實物仿真實驗平臺的設計。

表1　硬件接口

圖7　半實物仿真平臺

3實驗結果與分析

在PC機中的Matlab/Simulink中建立控制模型后，通過RTI與Matlab實時工作空間RTW實現從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼自動下載，并自動在DS1401組板系統中執行。通過綜合實驗軟件ControlDesk可以實現對實時硬件的圖形化管理，建立用戶虛擬儀表，實現變量和參數的可視化、試驗數據采集以及試驗過程自動化管理。圖8顯示的為電機控制在ControlDesk中實時工作界面。可以在電機工作的同時改變輸入占空比，換向以及目標速度等參數，并且實時獲得驅動電機速度響應曲線。

圖8　ControlDesk虛擬儀表測試界面

如圖9所示為電機響應期望轉矩跟隨曲線。圖10為電機實際轉速和期望轉速誤差，可知電機在恒定轉速時能夠保持較小的誤差；在電機轉速突然升高或降低時，誤差會產生一定的波動。當電機由低轉速升高時，可得到誤差在9%左右，這是由于傳感器在低速精度不高引起的。在電機由高轉速下降時，電機轉速誤差保持在5%以內，取得了較好的控制效果。通過對直流電機進行脈寬調制，實現了對電動機輸出轉速進行的有效的控制。

圖10　驅動電機期望速度與實時速度誤差

4結論

基于dSPACE的半實物仿真控制技術，搭建了驅動電機半實物仿真實驗平臺，開展了驅動電機的轉速控制實驗，取得了良好的控制效果。該實驗平臺通過dSPACE系統與Matlab/Simulink的無縫連接，在Matlab中搭建控制模型，實現控制參數的實時調整，并能夠方便的觀測和驗證控制算法的控制效果，從而提高控制系統設計質量與效率。本工作研究的快速控制原型半實物仿真技術，可以為下一步電動車的實車控制研究打下基礎。

參考文獻

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中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0001-04

基金項目：國家自然科學基金項目：面向多目標的智能車輛隊列縱向與橫向控制方法研究(61164007)；貴州省重大科技專項計劃項目：車用發動機熱交換系統關鍵技術研究與產業化，黔科合重大專項字(2014)6004。

作者簡介：王建強(1989-)，男，現為貴州大學機械工程學院車輛工程專業碩士生，主要從事智能交通系統方向的研究。

通訊作者：趙津(1973-)，男，2010年畢業于法國里爾中央理工大學自動控制專業，獲得博士學位，教授，主要從事汽車動力學、智能交通系統方向的研究。

收稿日期：2015-11-26

Driving motor control based on dSPACE rapid control prototyping

WANG Jianqiang, ZHAO Jin, NING Youjiang

Abstract:The semi-physical simulation technology RCP((Rapid Control Prototyping) provides a convenient method for the development of control systems and controller simulation tests. It also allows researchers to develop control algorithms and carry out simulation tests more efficiently. We established a real-time semi-physical simulation platform by RCP based on dSPACE, and carried out control experiments on the driving motor for electric vehicle. The results showed that, the system controlled the driving motor successfully, and the motor was able to trace the expected speed input.

Keywords:driving motor; dSPACE; DS1401; ControlDesk