基于dSPACE的電氣實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉陵順，張樹團(tuán)，高艷麗

(海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

為培養(yǎng)具有高素質(zhì)的滿足軍隊(duì)需要的新型軍事人才，軍用電氣工程專業(yè)必須在實(shí)踐教學(xué)中貫徹理論與實(shí)踐相結(jié)合，基礎(chǔ)與創(chuàng)新應(yīng)用相結(jié)合的原則。我們已建設(shè)成一個(gè)新型開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，它對(duì)于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力具有重要作用。我們基于dSPACE的測(cè)試平臺(tái)DS1104和自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K相結(jié)合的方式，構(gòu)建了具有實(shí)時(shí)快速控制和擴(kuò)展性強(qiáng)等特色的實(shí)驗(yàn)硬件。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以涵蓋軍用電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、軍用電力系統(tǒng)及自動(dòng)化、軍用電力電子功率變換技術(shù)等方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新開發(fā)實(shí)驗(yàn)，為快速構(gòu)建不同類型的電氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供了方便，具有良好的開放性和擴(kuò)展性。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用強(qiáng)電與弱電相結(jié)合、軟件與硬件相結(jié)合、元件與系統(tǒng)相結(jié)合等手段，注重基礎(chǔ)教學(xué)兼顧超前研究，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與手段的推陳出新，體現(xiàn)了軍用電氣工程等學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用。

1 dSPACE控制系統(tǒng)開發(fā)過程

本系統(tǒng)所研究的dSPACE硬件部分是單板系統(tǒng)DS1104，該控制器板由主處理器、輔助DSP、中斷控制器、儲(chǔ)存器、計(jì)時(shí)器以及主機(jī)接口六大部分組成。DS1104控制器板使用了PowerPC處理器來進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，處理器主頻為250MHz，運(yùn)算能力相當(dāng)強(qiáng)。DS1104控制器板還集成了以美國(guó)德州儀器公司的TMS320F240 DSP為核心的I/O子系統(tǒng)，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(jī)電系統(tǒng)仿真技術(shù)將電機(jī)、功率開關(guān)和傳感器等實(shí)際對(duì)象接入仿真回路，只在仿真軟件中對(duì)控制器進(jìn)行建模，整個(gè)仿真系統(tǒng)按照實(shí)際時(shí)間運(yùn)行;這樣的半實(shí)物仿真更加貼近實(shí)際情況，因而可以獲得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息。基于Matlab/Simulink的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是機(jī)電工業(yè)中著名的RCP開發(fā)平臺(tái)。

Matlab提供了基于RTW(Real-Time Workshop)的實(shí)時(shí)開發(fā)環(huán)境。通過RTW能直接將Simulink模型轉(zhuǎn)化為適合于目標(biāo)配置的優(yōu)化代碼。dSPACE使用實(shí)時(shí)接口軟件RTI(Real-Time Interface)對(duì)Matlab的RTW進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)而可與Matlab/Simulink無(wú)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(gè)工具箱。用戶可以通過圖標(biāo)的方式非常方便地在 Simulink環(huán)境中配置實(shí)際系統(tǒng)的I/O接口，并可以將 Simulink模型自動(dòng)生成實(shí)時(shí)代碼，下載到dSPACE的硬件系統(tǒng)上。dSPACE的綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試軟件ControlDesk對(duì)運(yùn)行在dSPACE硬件上的實(shí)時(shí)程序進(jìn)行監(jiān)控，以可視化界面對(duì)仿真過程進(jìn)行控制和參數(shù)的在線調(diào)整。開發(fā)過程如圖1所示。

圖1 基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)過程

2 電氣實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 電氣實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)電力電子技術(shù)與電力拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，本文提出離散事件逆變器系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間電機(jī)或電力電子系統(tǒng)解耦的實(shí)時(shí)仿真框架[3]，建立基于Simulink的電力驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)模型庫(kù)，利用dSPACE DS1104實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)軍用電氣系統(tǒng)中直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁或電勵(lì)磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、電力電子技術(shù)中的交流、直流變換器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制以及軍用電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有與實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)硬件接口，可以與實(shí)際控制器、實(shí)際電機(jī)、實(shí)際電力電子變換器等系統(tǒng)直接相連，構(gòu)成硬件在回路仿真測(cè)試或快速控制原形系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、教學(xué)與施訓(xùn)。

圖2所示為電氣實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)圖，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)，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(yīng)傳感器的電流檢測(cè)單元和電壓檢測(cè)單元和基于光電碼盤的位置(轉(zhuǎn)速)檢測(cè)單元等組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電流傳感器用于檢測(cè)定子電流，將電機(jī)的相電流轉(zhuǎn)換成微小電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入 dSPACE DS1104板內(nèi)的兩路12位ADC;電壓傳感器用于檢測(cè)直流母線電壓，將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成微小電壓信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入dSPACE DS1104板內(nèi)的一路12位的ADC。

2.2 檢測(cè)與調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

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(wú)需直流偏置電路，為交流電壓和交流電流檢測(cè)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)帶來了方便，如圖4所示。

圖4 采樣與調(diào)理電路

光電碼盤將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路正交脈沖信號(hào)后，直接送入到dSPACE DS1104控制器板的增量編碼器子系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理后，由一定的算法產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)IPM產(chǎn)生期望的輸出電壓去控制電機(jī)的運(yùn)行。

2.3 故障檢測(cè)與綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

dSPACE DS1104還需要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的安全保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載、過流等異常情況后，智能功率模塊IPM內(nèi)部集成的保護(hù)電路在實(shí)施保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)會(huì)發(fā)出一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)被送到 dSPACE DS1104相應(yīng)的引腳，引發(fā)外部中斷的同時(shí)，觸發(fā)PWM脈沖使能電路，用硬件保護(hù)方法封鎖PWM脈沖，斷開主電路，使系統(tǒng)停止工作，防止逆變器和電機(jī)損壞。

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

圖5 故障與檢測(cè)電路

由于IPM具有承受短時(shí)間過流的能力，如能承受10μs短時(shí)間的過電流，則可通過VHDL編程對(duì)軟件延遲時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使檢測(cè)電路避讓5μs以內(nèi)的過流信號(hào)(保持一定的裕度)。

2.4 建立通用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫(kù)

對(duì)于圖3所示的傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，需要建立面向?qū)崟r(shí)仿真的電力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫(kù)。在庫(kù)內(nèi)應(yīng)包括交流電源、電源與濾波系統(tǒng)、電機(jī)機(jī)械子系統(tǒng)、逆變器系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)電氣子系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)電氣子系統(tǒng)、異步電機(jī)電氣子系統(tǒng)、直流電機(jī)電氣子系統(tǒng)、PWM控制器、交流電機(jī)矢量控制子系統(tǒng)、交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制子系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)器和測(cè)速編碼器等模型。每個(gè)模型都按照其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，每個(gè)變量都與其實(shí)際具備一一對(duì)應(yīng)的物理關(guān)系，可在實(shí)時(shí)仿真過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問。

2.5 建立電氣控制系統(tǒng)離線仿真模型

我們利用Matlab/Simulink建立仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制方案，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(hào)，得到基于dSPACE的電氣控制系統(tǒng)在線仿真模型，利用dSPACE軟件環(huán)境完成程序的編譯與下載，得到控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試平臺(tái)DS1104和自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)?zāi)K相結(jié)合的方式構(gòu)建了具有實(shí)時(shí)與快速控制的電氣實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)時(shí)控制平臺(tái)可與實(shí)際電氣系統(tǒng)直接相連，構(gòu)成硬件在回路仿真測(cè)試或快速控制原形系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軍用電氣系統(tǒng)及其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、教學(xué)與實(shí)訓(xùn)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立有助于實(shí)現(xiàn)多層次和立體化的實(shí)踐教學(xué)體系，對(duì)于滿足不同基礎(chǔ)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維方法和能力的培養(yǎng)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(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(1):76-79

[3]盧子廣，柴建云，王祥珩等.電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].北京:中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(4):119-123

[4]李勇.基于電力電子技術(shù)的異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2008，12