Rtunit 仿真平臺在電機控制中的應用*

張子陽，許祥威

（南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 210013）

在一個傳統(tǒng)的離線仿真平臺中，對于一個復雜的、實時性強的、動態(tài)響應快的系統(tǒng)，往往會簡化模型，如忽略處理器運行速度限制、忽略內(nèi)存空間限制等[1]。

且由于需要手動編程導致人員操作失誤等因素，產(chǎn)生項目研發(fā)周期延長、研發(fā)經(jīng)費超額等一系列問題[2]。與此同時，半實物半數(shù)字仿真平臺在軍事、航天等領域獲得了廣泛應用，即一部分由計算機上搭建的模型構(gòu)成，另一部分由實物構(gòu)成，通過接口電路將兩部分結(jié)合成一個整體來模擬整個系統(tǒng)的運行，這就是實時仿真技術[3-6]。

1 DSP、FPGA 的特點

在數(shù)字信號處理領域DSP 與FPGA 已經(jīng)形成了相互存在的格局。FPGA 以軟件的方式配置硬件資源，具有高度的并行運算能力，實時性更強，普遍適用于實現(xiàn)數(shù)字電路模塊、高速信號的處理、控制領域的信號處理[7]；DSP 內(nèi)部擁有獨立累加器及加法器，數(shù)字信號處理及算法強，執(zhí)行指令速度快，主要用于處理復雜的多算法任務。文獻[8]通過FPGA 高度的并行運算能力來構(gòu)建電力電子半實物仿真平臺；文獻[9]通過DSP 強大的信號處理能力設計了一系列控制算法。對于一個半實物半仿真模型，往往都包含復雜過程和高度并行兩個方面，針對兩個不同的方面分別用DSP 和FPGA 各自的優(yōu)勢去處理解決，不失為一種新思路。文獻[10、11、12]證明 DSP+FPGA 架構(gòu)可極大的提高系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。

2 基于DSP+FPGA 架構(gòu)的Rtunit 仿真平臺

Rtunit 是由南京傅里葉電子有限公司研發(fā)的基于MATLAB/Simulink 的實時數(shù)字控制系統(tǒng)，其主控CPU 采用DSP+FPGA 架構(gòu)，以DSP 為主、FPGA 為輔的方式協(xié)同工作。DSP 負責軟件算法的數(shù)據(jù)處理，主要功能包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用、系統(tǒng)運行控制等[13]，但由于DSP外設功能有限，需要FPGA 輔助拓展外設，比如AD 芯片控制、PWM 波形輸出、編碼器解碼、Park 與 Clark 變換計算等功能。

2.1 軟件組成

Rtunit 軟件包由集成開發(fā)環(huán)境RtunitStudio（以下簡稱RTUS）和Rtunit Lib（以下簡稱RTU-Lib）兩個部分組成。

2.1.1 集成開發(fā)環(huán)境RTUS

RTUS 負責工程的統(tǒng)一管理，并實現(xiàn)了和MTLAB/Simulink 的無縫連接。在RTUS 中用戶可對Simulink 工程進行新建、保存、刪除、編譯、下載等一系列操作。工程在RTUS 中新建完成后，打開可直接進入Simulink 界面建模，建模完畢，通過自動代碼生成按鈕，將模型轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品級C 代碼并在RTUS 中顯示，若需修改代碼，可重新建模并生成或直接在RTUS 中手動編程。代碼生成完畢，可編譯并下載至實時硬件控制器RTU-BOX 中，通過RTU-BOX 連接外部實物，實現(xiàn)半實物半數(shù)字仿真。在RTUS 中，使用者還可通過圖形化界面RtuOcs 對仿真結(jié)果進行可視化分析，通過實時監(jiān)測界面對AD 口輸入變量進行觀測和修改，并可導入至Excel/Matlab 等工具進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2.1.2 RTU-Lib

RTU-Lib 是集成于MATLAB/Simulink 環(huán)境中的功能模型庫，是對Simulink Lib 的補充和擴展。RTU Lib 提供了電機驅(qū)動和電力電子控制中的常用算法模型，以及底層靜態(tài)驅(qū)動庫RTU BOX.lib。使用者可以像搭積木一樣調(diào)用RTU Lib 以及Simulink 基本庫中所有模塊，實現(xiàn)模型的快速搭建。以下對一些常用庫簡要介紹。

（1）Motor Lib

Motor Lib 包含了 Clark 變換、Clark 逆變換模型和Park 變換、Park 逆變換模型。在電機控制中為了簡化計算，坐標變換模型經(jīng)常使用，以上四種模型均可直接調(diào)用，節(jié)約開發(fā)時間。

（2）Common Lib

Common Lib 中包含了電力電子領域中常用的波形，比如正弦波、三角波、脈沖波等，且均為離散化波形。此外使用者通過Tri-function 模塊可任意生成需要的三角函數(shù)波，通過PID 模塊直接完成閉環(huán)控制，最大限度的滿足快速原型開發(fā)的需要。

（3）RTU-BOX.Lib

底層驅(qū)動靜態(tài)庫RTU-BOX.Lib 將RTU-BOX 中所有硬件功能的驅(qū)動函數(shù)全部進行了封裝，使用者無需關注底層，可直接調(diào)用。以下僅對本文使用的一些模塊進行介紹。

a.代碼生成模塊Model Generate Code

每一個Simulink 工程中必須添加該模塊，工程模型搭建完成時，雙擊該模塊即可生成產(chǎn)品級C 代碼并在RTUS 中顯示。Rtunit 系統(tǒng)十分兼容，RTU-Lib 和 Simulink基本庫中模塊均可生成C 代碼。

b.步長控制模塊Control Step

對于一些實時性強、運算速度要求高的電路，放在主程序中運行往往會被其他中斷打斷，為了保證仿真的快速性、穩(wěn)定性，一般將其放在中斷模塊中，并通過Control Step 模塊嚴格控制中斷頻率，最大限度的保證了仿真精度。

c.pwm 波生成模塊EPWM

EPWM 模塊可選擇單路、互補、三電平和全橋模式，實際輸入為0-1000 的數(shù)字量，0-1000 的數(shù)字量代表占空比0-100%，還可設置微秒級的死區(qū)時間。其中選擇互補模式時，每一個輸入將通過實時硬件控制器RTU-BOX輸出兩路互補的PWM 波。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

Rtunit 是一種基于DSP+FPGA 架構(gòu)的實時數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了TI 公司的32 位浮點型 Delfino 處理器TMS320C28346 作為主要信號處理模塊，以及Xilinx 公司第六代Spartan 系列FGPA 作為輔助處理模塊。擁有實時硬件控制器RTU-BOX，RTU-BOX 采用總線插板式機箱，由POWER 板、CPU 板和多個外設板組成。POWER板給RTU BOX 中所有板件提供電源;CPU 板內(nèi)部擁有豐富的硬件乘法器和門資源，工作頻率可達300MHz，通過光纖與上位機的USB 口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;外設資源豐富，可完成ADC 采樣、PWM 波形輸出、數(shù)字量開入開出、碼盤測速等功能。

3 SVPWM 原理

3.1 SVPWM 原理數(shù)學模型介紹

電機旋轉(zhuǎn)時其定子繞組電壓可表示為：

當轉(zhuǎn)速不是很高時，可忽略定子壓降近似為：

電機旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生角速度為ωr且幅值固定的磁鏈圓，得：

將（3）式帶入（4）式得：

公式（4）說明在磁鏈空間矢量ψS保持不變時，電壓空間矢量US與轉(zhuǎn)速ωr成正比，且軌跡方向為磁鏈圓切線方向，即可根據(jù)電壓空間矢量的運動軌跡來研究旋轉(zhuǎn)磁場運動軌跡。

對于一個電壓型三相逆變器，有交流側(cè)有幅值相等，相位互差120 度的三相電壓UA（t）、UB（t）、UC（t）。則三相電壓合成的空間矢量為：

逆變器三相橋臂共有6 個開關管，共可組成8 種開關狀態(tài)[14]，通過不同的開關狀態(tài)可合成實際的電壓空間矢量，如圖1 所示。

4 SVPWM 仿真模型搭建

本節(jié)將在Simulink 中將SVPWM 調(diào)制算法進行建模，模型分為四個部分，先通過Uα和Uβ判斷合成電壓矢量所在扇區(qū)，再計算基本電壓矢量的導通時間t1、t2，然后求出三相基本電壓矢量的切換點時刻，最后生成PWM調(diào)制波形。本次設計中離散正弦波模型、Clark 變換模型均為RTU-Lib 自帶模型，這些自帶模型的運算均由FPGA 芯片完成，不占用DSP 運行處理時間。

圖1 電壓空間矢量

4.1 扇區(qū)計算

通過判斷合成空間矢量US所在的扇區(qū)，可以確定所需要的有效矢量。為了方便計算，先通過Clark 變換將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)化為α、β 軸二相靜止坐標系，Uα和Uβ是合成矢量 US在 α、β 軸上的分量。僅以第一扇區(qū)為例，有：0＜arctan（Uβ/Uα）＜60，即充要條件為 Uβ，Uα＞0，Uβ、同理分析其他扇區(qū)可知[15]，合成矢量US所在扇區(qū)僅與Uβ、這三個變量有關，在新的二相靜止坐標系內(nèi)定義A、B、C 三個中間變量，則有：

令 N=4*sign（C）+2*sign（B）+sign（A），其中 sign（x）=，則N 與扇區(qū)的關系如表1 所示：

表1 N 值與扇區(qū)的對應關系

計算模型如圖2 所示。

4.2 導通時間 T1、T2 計算

在α、β 軸二相靜止坐標系中以第一扇區(qū)為例，根據(jù)平行四邊形法則可得：

經(jīng)整理得：

圖2 扇區(qū)判斷

其中T1、T2為一個扇區(qū)內(nèi)兩個基本矢量導通時間，Udc為直流側(cè)輸入電壓，TS為調(diào)制周期。同理可得出其他扇區(qū)矢量作用時間。為了方便建模，設中間變量X、Y、Z，令

導通時間T1、T2各扇區(qū)賦值如表2 所示。文獻[16]可知，SVPWM 調(diào)制輸出最大相電壓幅值為圖3 所示六邊形相切的圓的半徑，又考慮到死區(qū)時間、零矢量作用時間的存在，實際幅值應略小于相切圓半徑。為了防止發(fā)生過調(diào)制導致波形失真，這里采用了一種比例縮小算法，當T1+T2≤TS時，t1，t2作用時間不變，當 T1+T2＞TS時，令

根據(jù)公式（11） 建模將輸入 Uα、Uβ、TS、Udc計算得到X、Y、Z 三個中間變量，再將三個中間變量根據(jù)表2 通過兩個多通道開關分別給矢量作用時間T1、T2賦值，然后單通道開關判斷是否過調(diào)制，無過調(diào)制則直接輸出，過調(diào)制則經(jīng)過公式（12）比例縮小變換再輸出。整個計算模型如圖3 所示。

4.3 三相開關時刻計算

定義 ta、tb、tc為 A、B、C 三相開關時刻，有

圖3 導通時間計算模型

Tcm1、Tcm2、Tcm3為切換點在不同扇區(qū)內(nèi)的賦值，如表2所示。

表2 導通時間與切換點幅值表

計算模型如圖4 所示。

圖4 切換點時刻計算

4.4 PWM 波形生成

EPWM 模塊為 RTU-Lib 自帶模塊，EPWM 模塊輸入0-1000 的數(shù)字量代表0-100%的占空比，且必須為Unit16 整型數(shù)據(jù)，模塊輸出幅值為15V 的PWM 波形。計算開關時刻 Tcm1、Tcm2、Tcm3占空比并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式輸入至EPWM 模塊，計算模型如圖5 所示。

模型搭建完畢，將整個SVPWM 調(diào)制模塊放入中斷程序中，用control step模塊嚴格控制中斷頻率，提高仿真精度。

5 PWM 波形對比分析

圖5 PWM 波生成模型

仿真參數(shù)設置如下：調(diào)制周期Ts=0.0001s，直流側(cè)輸入電壓Udc=800V，PWM 死區(qū)時間設置為 2μs，EPWM 輸出模式設置為互補輸出，control step 模塊設置仿真頻率為 10kHz，將 Tcm1、Tcm2、Tcm3波形接入WAVE 模塊以方便觀測。以上SVPWM 模型搭建完畢后，雙擊代碼生成模塊Model Generate Code，便可立即生成C 代碼。

代碼生成后，在RTUS 中編譯并下載程序至RTU BOX 中。在RTU-BOX 的EPWM 板件上，將A 相橋臂的上下兩路PWM 信號接入示波器，圖6 為A 相橋臂上下兩路波行。

由圖6 可以看出，同一橋臂上下兩路PWM 波形互補，且存在2μs 的死區(qū)時間，PWM 波形幅值均為15V，與理論值完全符合。

畜牧業(yè)對社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要影響。然而，畜牧養(yǎng)殖過程中常常會面臨各種不同類型的問題，因此企業(yè)管理人員應該綜合其他各方面因素去考慮和分析，運用科學、合理的方法來解決畜牧養(yǎng)殖管理中存在的問題。在一定程度上使得畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式逐步開始向集約化方式轉(zhuǎn)型。只有這樣才能夠保證畜牧業(yè)健康、穩(wěn)定發(fā)展。

6 編碼器M 法測速

RTU-Lib 庫中自帶Encoder 模塊，可輸出編碼器方向信號direction、脈沖數(shù)Poscnt 等信息，在此基礎上，根據(jù)M 法測速原理搭建了測速模型。本次實驗采用增量式編碼器，按差分法將編碼器信號接入，電機采用48V、200W 永磁同步電機。通過單通道開關判斷編碼器方向direction，direction ＞0 則 編 碼 器 停 止 或 旋 轉(zhuǎn) 。 僅 以direction＞0 為例，計算單位周期T 內(nèi)編碼器發(fā)出脈沖數(shù)量M。M=0 表示編碼器停止，直接輸出轉(zhuǎn)速n=0;M＞0，由文獻[16]知，公式

圖6 A 相橋臂上下兩路PWM 波形

P 為編碼器分辨率，T 為單位時間；由于Encoder 模塊的Poscnt 功能至多只能積累4000 個脈沖，超過則會清零，所以當 M＜0 時，脈沖數(shù)需加上 4000 再帶入式（13），計算模型如圖7 所示。

圖7 M 法測速模型

編碼器分辨率P=10000，單位時間T=0.0001s，電機順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1r/s，將方向、轉(zhuǎn)速信號接入WAVE 模塊，在RTUS 中查看波形如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)速和方向

速度曲線平滑穩(wěn)定在60r/min，方向曲線始終為0，與實際轉(zhuǎn)速、方向一致，驗證了使用Rtunit 的Econder 板進行轉(zhuǎn)速測量的可行性與高效性。

7 結(jié)束語

本文詳細介紹了Rtunit 實時控制平臺的軟、硬件組成，并以Rtunit 控制平臺為核心搭建了SVPWM 仿真模型、編碼器測速模型，在建模過程中，短時間內(nèi)可對模型進行大量修改與反復試驗，然后通過自動代碼所生成的程序?qū)崿F(xiàn)其功能，最終完成了快速原型開發(fā)設計。與傳統(tǒng)離線仿真相比，半實物半數(shù)字仿真更多的考慮到工程中的實際問題，有較高的實際應用價值；與市場上廣泛使用的DSP 相比，Rtunit 有以下優(yōu)點：

（2）硬件方面，獨特的DSP+FPGA 架構(gòu)，在保證了控制算法效率的同時彌補了DSP 外設精度不足的缺陷，輸出波形行度更好、實時性更強。

（3）一鍵式自動代碼生成，Smulink 基本庫、Rtunit 庫中模型均支持生成C 代碼，從根本上解決了傳統(tǒng)手寫代碼帶來的問題，使開發(fā)更加高效。

（4）無需學習額外軟件知識，使用者僅需熟練掌握Simulink，降低研發(fā)門檻。

此外，實驗中測得的馬鞍波、PWM 波、模擬量輸入輸出波形、轉(zhuǎn)速等均與理論波形相符合，證明了Rtunit 進行快速原型開發(fā)的實用性與可行性，操作方便且精度高，可以有效的縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。