RTU 數字控制器簡介及應用淺析

孔晨，傅平

（溫州大學 電氣與電子工程學院，浙江溫州，325035）

0 引言

傳統的電機控制策略方法通常是基于dSPACE 或單片機的軟件編程方法得以實現的。利用dSPACE 與 MATLAB/Simulink 可以實現無縫連接的優勢，將離線仿真模型通過試驗進行快速驗證，提高電機控制系統開發效率，縮短項目開發周期[1]，但是dSPACE 設備較為昂貴，性價比略低，且當要對dSPACE 系統擴展功能進行比較復雜的修改時，會對系統帶來一些影響；單片機具有低成本、體積小、低損耗等特點，在操作層面，單片機操作十分簡單，所以對操作者的能力沒有過于嚴格的要求，且具有極強的自適應能力[2]。但存儲空間有限、一些功能需要靠擴展來完成，保護能力略差；而RTU 仿真平臺不但繼承了兩者的優點，而且成本較低，提高了性價比及工作效率，廣泛應用于電機控制等領域。

1 RTU 半實物仿真平臺

RTU 控制器由南京瑞途優特信息科技有限公司開發，是一套基于Simulink 的控制系統開發、測試及半實物仿真的軟硬件工作平臺。RTU 數字控制器可以極大地提高系統的實時性與穩定性，并且計算較為迅速、準確生成代碼、界面環境相對友好，其最顯著的特點就是無需手動編程就可以快速、有效地開發、調控復雜的控制算法。RTU 數字控制器的實物機箱如圖1 所示。

圖1 RTU 機箱

RTU 控制器的核心是RTU-BOX—實時數字控制系統，其具有高速的計算能力，豐富的輸入輸出接口；通過與Simulink 連接可以完成各種復雜算法的研究與開發，將搭建好的模型自動生成代碼并下載至硬件，通過與實物互連完成實驗驗證。

2 RTU 仿真平臺優勢

RTU 仿真平臺具有較高的實用價值，性價比高，能夠更多地考慮實際問題。和DSP 相比，RTU 仿真平臺具有以下幾點優勢：

（1）在硬件方面，此設備采用了DSP 與FPGA 的構架，彌補了關于DSP 外設功能不足的缺陷，兩者相輔相成，具有更高的實用性。

（2）在軟件方面，RTU 仿真平臺在Simulink 中具有大量模型庫，操作簡單，為用戶提供了便捷性，提高了工程搭建的效率。

（3）代碼生成一鍵獲得，在Simulink 庫中的絕大部分模塊均支持代碼生成，只有極少數的模塊不具備代碼自動生成的功能，這解決了手動編程帶來的問題，大大提高了工作效率。

（4）使用RTU 數字控制器不需要用戶學習太多的軟件編程知識，只需要掌握關于MATLAB/Simulink 的使用方法即可，體現了大眾化的功能；并且使用RTU 數字控制器最大的優點就是提升了工作效率、減少了研發周期。

3 硬件系統介紹

CPU 板為RTU 數字控制器的核心板卡，以DSP 和FPGA 為基本架構，DSP 為主、FPGA 為輔，兩者配合工作，DSP 采用TI 公司的TMS320C28346，負責處理算法數據，但是因為DSP 的外設功能有限，需要FPGA 進行輔助拓展。CPU 板卡通過專用總線來控制其他的外設板，其板卡的通訊接口主要有 10M/100M 以太網ETHERNET、RS232、RS485 和CAN 接口。RTU 有兩個PWM 板卡槽位，均可插入PWM 板卡，一塊PWM 板卡共60 路PWM 輸出，PWM板輸出的高電平為5V。并且RTU 控制器還給用戶提供了其他板卡槽位，如模數轉換板卡等等。

4 軟件系統介紹

RTU 數字控制器的軟件部分由集成開發環境RTUS（RtunitStudio）和RTU-Lib（Rtunit Lib）組成。

■4.1 集成開發環境RTUS

RTUS 負責管理工程，實現與Simulink 的連接，在此環境下，用戶可以對所建工程進行相關操作。在RTUS 中新建工程之后，可以在Simulink 中構建模型，通過Simulink命令欄中的RtuBox 按鍵自動生成C 語言代碼，如果用戶需要對代碼進行修改，可以直接對所建模型進行修改，完畢后，再次點擊RtuBox 按鍵進行代碼自動生成。生成代碼之后，進入RTUS2020 的電腦軟件界面，進行編譯、下載，將代碼下載至RTU 數字控制器當中，并且通過對RTU 數字控制器連接相關實物設備，實現半實物仿真。

并且在RTUS 環境中，還可以對其仿真結果進行可視化分析，可以通過觀察波形、導出數據等功能進行實時數據觀測與修改。

■4.2 RTU-Lib

RTU-Lib 是Simulink 中的功能模型庫，是在原庫基礎上的補充，并且還提供了常見的算法模型。模型庫Rtunit Lib 提供了系統中所有硬件資源的Simulink 封裝模塊[3]，能夠直接將硬件功能集成到 Simulink 中，方便搭建硬件控制模型。下面對一些常用庫進行簡單介紹。

（1）Common Lib

在此庫中主要包含常用的波形，如三角波、鋸齒波、正弦波等，其中，Triangle Wave 模塊還可根據用戶需要來形成所需的三角波；除波形模塊之外，還有PID 模塊，非常便于模型的搭建。

（2）Motor Lib

在此庫中常用的主要有Clark 變換與其逆變換、Park 變換與其逆變換，在進行模型搭建時均可直接調用，方便快捷。

（3）RTU BOX Lib

底層驅動靜態庫RTU BOX Lib 把所有具有硬件功能的函數進行了封裝，用戶可直接將其調用到模型當中，使用過程非常便捷。此庫中的模塊種類十分豐富，其中主要包括模數轉換模塊、RS485 模塊、RS232 模塊以及encoder 模塊等，并且還包括可以稱為核心模塊的EPWM 模塊，用戶通過進行相關的參數設置，即可得到所需要的PWM 信號。

需注意的是，當研究算法時，需要以下幾個步驟：(1)確定控制算法；(2)通過Simulink 來建立系統仿真模型；(3)自動生成代碼；(4)將代碼下載入系統，在線調試參數，完成算法的驗證。軟件工作流程圖[4]如圖2 所示。

圖2 軟件工作流程圖

5 搭建EPWM 模塊實現信號輸出

通過以輸出PWM 脈沖信號為具體實例對RTU 設備的應用進行更為清晰的闡述。模型搭建均是在simulink 環境下進行的，要實現PWM 信號的輸出，首先應對庫中的EPWM 模塊進行相關介紹與設置。

與EPWM 相關的模塊還有EPWM_FPC 模塊、EPWM Control 模塊等，均是在EPWM 模塊的基礎上進行的，本文所選用的模塊為普通EPWM 型模塊，EPWM 模塊參數設置環境如圖3 所示。

圖3 EPWM 模塊設置

EPWM 模塊產生的PWM 波，從1-6 共六個單元，每個單元輸出兩路PWM 信號：PWMA 和PWMB。

PWM 的模式（Mode）選項分為Single Pwm Output—非互補輸出（A 和B 通道互不影響）和Complimentary Singal Output—A/B 通道互補輸出，若選擇Single Pwm Output 選項，則需要選擇相應的通道，若選擇Complimentary Singal Output 選項，則需要輸入死區時間。

PWM Channel 選項可選擇1-6 單元。

PWM 的通道選項分為EPWMA、EPWMB、EPWMA AND EPWMB。

PWM 的載波類型（Carrier type）分為Sawtooth、Invsawtooth 和Triangle 三種類型，可根據需要自行選擇。

PWM 的相位設置，相位角度設置是指不同的 EPWM 單元之間載波的相位差，因此PWM 之間會產生相應的相位差。將Phase Enable 設置為ON 即可進行PWM 的信號初相位設置，輸入從0～1 的數值對應表示0°～360°的度數大小。

PWM 的頻率設置，分為Dialog 和Input Port 選項，當選擇Dialog 選擇時，即可設置所需的頻率初始值，當選擇Input Port 選項時，通過與Variable 變量模塊的連接，頻率作為可變變量輸入EPWM 模塊，如圖4 所示。EPWM 模塊的頻率范圍大小為100Hz～100kHz，這里的頻率選項設置建議與模型的控制頻率保持一致。

圖4 選擇Input Port 選項時的EPWM 模塊

PWM 的占空比設置，其單位為百分比（Percentages）和時鐘周期數（Clock cycles）兩個選項，根據輸入從0-1的數值，表示占空比在一個周期內初始值所占比例大小；當占空比單位選擇百分比時，其輸入類型為float 型，當占空比單位選擇時鐘周期數時，其輸入類型為unit16 型。

PWM 同步方式（Synchronization Output）分為禁用同步信號、同步信號輸出為模型輸入的信號、同步輸出信號至CTR=ZERO 三種情況，可以根據需要選擇合適的選項。

6 通過RTU 設備獲得信號輸出

通過前文對EPWM 模塊的介紹，明確了該模塊的使用方法，然后使用RTU 數字控制器來實現PWM 波的輸出，此PWM 信號用于超聲波電機驅動電路的開關管脈沖信號。

該驅動電路的操作對象為日本新生工業公司的USM60型號的行波型超聲電機，三相全橋逆變電路作為其驅動電路，通過給定相應的PWM 信號，來生成超聲波電機需的驅動信號；由六只功率開關管組成三相橋式電路，此電路是基于半橋和全橋電路上的革新[5]，兼顧全橋和半橋兩者的優勢。下面通過模型搭建實例來得到相應的PWM 脈沖信號。

以超聲波電機A 相為例，三相橋式逆變電路的S1-S4功率開關管負責控制超聲電機的A 相，電機的驅動頻率約為40kHz，四只功率開關管的計劃波形如圖5 所示，由于是全橋逆變電路，所以應避免出現直通現象。

圖5 開關管時序圖

進入Rtunit Studio2020 軟件，點擊所建工程中的Logic 模型，進入Simulink 的Function-Call Subsystem編輯模型，進行模型的搭建與設置，將EPWM 模塊拖入，模式設置為非互補輸出，四個EPWM 模塊的PWM 單元分別選擇1-4，通道選擇A 通道，載波選擇鋸齒波，根據圖5 所示的時序圖，分別設置各自信號的初相位，因行波型超聲波電機的驅動頻率[6]約為40kHz，故頻率選項設置為40000，占空比初值可暫設為0.3，通過添加變量模塊可以實時修改占空比。

圖6 左側的Variable 模塊即為變量模塊，用來觀察和修改工程中設置的變量，這里設置的變量為占空比；該模塊主要由以下六個部分組成：變量名稱、數據類型、變量類型、初始值、單位及注釋。其中，變量類型若設置為只讀類型，則只能在Rtunit Studio2020 中觀察，不能修改，相反，若要在軟件中可以修改變量值，則要設置為可讀寫類型。

圖6 simulink 環境下的模型搭建

模型搭建完成之后，點擊Simulink 界面上方RtuBox的Code Generate 按鍵，自動生成C 代碼，此時進入Rtunit Studio2020，依次點擊菜單欄的編譯和下載按鍵（或直接點擊調試按鍵），燒入自動生成的C 語言代碼，然后將輸出信號接至示波器，點擊菜單欄的在線按鍵，雙擊左側Variants 圖標，即可在線修改占空比的大小，并且在示波器中實時顯示。如圖7 所示，示波器所示波形從上到下依次為功率開關管S1～S4 的PWM 信號波形。

7 結語

本文以詳細介紹RTU 數字控制器為主線，介紹了該設備的軟件和硬件兩大方面，并系統闡述了RTU 數字控制器的優勢所在，同時以四路PWM 信號輸出為例，通過模塊搭建、代碼生成等實際操作對該設備的使用方法進行了相關敘述。從而可以表明，RTU 數字控制器具有無需手動編程、調試過程簡單、減少開發時間等優勢，并且能將這種優勢運用到實際工作當中，極大地提高了工作效率，有效地降低研發周期與投入成本。目前各研究領域在不斷地追求快捷高效的主旋律下，RTU 數字控制器具有非常光明的發展前景。