基于dSPACE的運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

邵雪卷，張井崗，趙志誠

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原030024)

0 引言

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程綜合了電子電路、電機(jī)拖動、自動控制理論、微機(jī)原理與應(yīng)用等多學(xué)科知識，是一門綜合性、實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的重要內(nèi)容，該部分內(nèi)容理論性強(qiáng)且比較抽象。為了讓學(xué)生能直觀地了解不同調(diào)節(jié)器以及同一種調(diào)節(jié)器不同參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，在現(xiàn)在的教學(xué)中經(jīng)常用到的有兩種方法［1]:一是在實(shí)驗(yàn)室中，先測出電機(jī)的基本參數(shù)，采用工程方法設(shè)計出兩個調(diào)節(jié)器，然后在直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行操作，以觀察電機(jī)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形。這種方法使用的是模擬調(diào)節(jié)器，模擬調(diào)節(jié)器存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，且環(huán)境溫度變化會影響調(diào)節(jié)器參數(shù)，但對于一些先進(jìn)的控制方法用模擬調(diào)節(jié)器難以實(shí)現(xiàn);二是在Matlab/Simulink下搭建結(jié)構(gòu)框圖，然后進(jìn)行仿真研究。這種方法雖然調(diào)節(jié)器參數(shù)比較容易調(diào)節(jié)且不受外界影響，但仿真使用的是電機(jī)數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果過于理想化。

dSPACE是基于Matlab/Simulink開發(fā)的實(shí)時仿真系統(tǒng)軟硬件工作平臺［2]，它可以提供快速控制原型系統(tǒng)的應(yīng)用平臺，在這個平臺上不僅控制器容易實(shí)現(xiàn)，而且可以實(shí)時地調(diào)整控制器參數(shù)，并提供多種參數(shù)顯示方式，滿足不同的需求。本文針對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，使用快速控制原型方式設(shè)計了一套以dSPACE為核心的運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并在此平臺上，研究了PID控制和內(nèi)模控制策略在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在線仿真研究表明，基于dSPACE平臺的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，參數(shù)修改方便，易于學(xué)生了解不同控制器對系統(tǒng)性能的影響。

1 基于dSPACE的控制系統(tǒng)開發(fā)

在使用dSPACE之前，學(xué)生首先需要了解直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件構(gòu)成以及各軟件的作用。dSPACE的軟件包括Matlab/Simulink/RTW，dSPACE/RTI和ControlDesk等。

RTW可以從Simulink方框圖自動生成C代碼，RTW與dSPACERTI聯(lián)合可以實(shí)現(xiàn)從模塊方框圖到dSPACE實(shí)時硬件的轉(zhuǎn)換。

RTI是連接dSPACE實(shí)時系統(tǒng)于現(xiàn)代控制設(shè)計開發(fā)平臺Matlab/Simulink之間的紐帶。RTI對Simulink庫進(jìn)行了擴(kuò)展，利用這些框圖可以無需書寫任何代碼就能完成包括I/O接口及其初始化過程的全部設(shè)置。

我們可以采用Simulink建立模型并加入需要的dSPACE I/O模塊，然后對RTW進(jìn)行設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時硬件代碼的無縫自動下載。ControlDesk是dSPACE公司開發(fā)的新一代實(shí)驗(yàn)工具軟件。一旦控制器的開發(fā)及仿真模型用Matlab/Simulink建立好，通過RTI實(shí)現(xiàn)并下載到實(shí)時硬件中，就可以使用ControlDesk對運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控。

基于dSPACE的控制系統(tǒng)可以采用如下的開發(fā)過程。

(1)算法框圖的建立—在Matlab/Simulink中建立控制算法的框圖，控制算法可以直接用傳遞函數(shù)表示，也可以用C語言編寫;

(2)加入輸入/輸出口(I/O)—從RTI庫中拖放實(shí)時測試所需的I/O，并對I/O參數(shù)進(jìn)行配置;

(3)選擇RTW Build—Matlab與dSPACE可實(shí)現(xiàn)完全無縫連接，以此完成目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時C代碼的生成、編譯、連接和下載，將Simulink下的模型變?yōu)閐SPACE可運(yùn)行的程序;

(4)進(jìn)行dSPACE綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試—利用dSPACE提供的ControlDesk對實(shí)時仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、聯(lián)機(jī)改變參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時實(shí)驗(yàn)。

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時控制平臺

基于dSPACE的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時控制平臺

從圖1可見，基于dSPACE的調(diào)速系統(tǒng)包括工控機(jī)、dSPACE硬件、整流裝置、直流電機(jī)以及電流、轉(zhuǎn)速檢測裝置。工控機(jī)是底層工具，dSPACE實(shí)時系統(tǒng)軟件Matlab/Simulink/RTW和ControlDesk/RTI安裝在其中。dSPACE硬件安裝在它的ISA插槽上。dSPACE針對不同用戶的需求，提供多種可供選擇的硬件系統(tǒng)，如單板系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)等。

本文采用的硬件是DS1103單板系統(tǒng)，把DS1103提供的A/D和D/A模塊與調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)控制要求連接。基于dSPACE的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)字控制，需要對輸入信號和輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。調(diào)速系統(tǒng)有給定電壓，轉(zhuǎn)速反饋電壓和電流反饋電壓三個模擬輸入信號，都需要通過A/D轉(zhuǎn)換才能被dSPACE系統(tǒng)處理;控制器輸出控制電壓，這是一個數(shù)字信號，需要通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號才能控制晶閘管整流電路的觸發(fā)角進(jìn)而控制電樞電壓。

本文采用dSPACE的單板系統(tǒng)DS1103可以提供20路A/D通道和8路D/A通道，把選用的A/D和D/A通道所對應(yīng)的引腳通過信號線和其對應(yīng)的輸入輸出連起來，即可完成系統(tǒng)的硬件連接。在Simulink下搭建控制系統(tǒng)模塊框圖，使用RTW的Build把控制框圖自動編譯并下載到dSPACE硬件后，就可以脫離工控機(jī)在dSPACE硬件上獨(dú)立運(yùn)行。

3 dSPACE在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)用的直流他勵電動機(jī)DJ15

DJ15的主要技術(shù)參數(shù)為額定電流IN=1.2A，額定轉(zhuǎn)速nN=1600r/min，額定電壓UN=220V，額定容量185W，額定勵磁電流IfN＜0.13A，勵磁電壓220V。通過實(shí)驗(yàn)測量計算可得電樞回路總電阻R=30.06Ω，電樞回路總電感L=532mH;飛輪慣量CD2=0.154N·m2;晶閘管整流裝置放大倍數(shù)KS=15;電動機(jī)電勢系數(shù)Ce=0.121V·m2，系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.25s，轉(zhuǎn)矩常數(shù)Cm=1.156V·r/min，本文采用工程設(shè)計方法來設(shè)計PI電流調(diào)節(jié)器和PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

3.2 PID控制的調(diào)速系統(tǒng)

基于dSPACE的調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模塊框圖如圖2所示。利用dSPACE擴(kuò)展了的RTW的Build功能，可以把Simulink模塊框圖編譯并下載到dSPACE硬件上。

圖2 PID控制的調(diào)速系統(tǒng)的dSPAC實(shí)現(xiàn)模塊

為了對運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，我們可以利用ControlDesk建立用戶虛擬儀表對控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測;控制器參數(shù)的設(shè)定對控制器性能的影響至關(guān)重要，ControlDesk可以通過使用不同儀表在線修改調(diào)節(jié)器參數(shù)。還可以利用ControlDesk提供的繪制功能，得到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流響應(yīng)曲線和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖3所示。從圖3(b)的速度響應(yīng)曲線可以看出，采用PI調(diào)節(jié)器存在轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。

圖3 PID控制的調(diào)速系統(tǒng)特性

3.3 內(nèi)模控制的調(diào)速系統(tǒng)

內(nèi)模控制器具有常規(guī)PI調(diào)節(jié)器控制穩(wěn)態(tài)精度高和抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)模控制原理，結(jié)合工程設(shè)計法，設(shè)計一種內(nèi)模速度控制器，可以實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)速超調(diào)控制。采用內(nèi)模控制策略的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink控制框圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)模控制的調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖

內(nèi)模控制的調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線分別如圖5所示。從圖5(b)可以看出，采用內(nèi)模控制的調(diào)速系統(tǒng)可以避免轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。

圖5 內(nèi)模控制的調(diào)速系統(tǒng)

從以上兩個實(shí)驗(yàn)可以看出，采用dSPACE實(shí)時仿真系統(tǒng)只需改變結(jié)構(gòu)框圖中的控制器部分，就可以實(shí)現(xiàn)不同控制策略在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，而且通過ControlDesk界面很容易修改控制器參數(shù)。這對于學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)動控制系統(tǒng)過程中，了解不同控制策略以及相同控制策略不同控制器參數(shù)對系統(tǒng)的影響是非常有益的。

4 結(jié)語

本文基于dSPACE設(shè)計了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時控制平臺，并在此平臺上，研究了常規(guī)PID和內(nèi)模控制兩種不同的控制策略在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于dSPACE平臺的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，參數(shù)修改方便，學(xué)生可以很直觀地看到不同控制器下的控制效果。這一實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計使得各種先進(jìn)控制算法應(yīng)用于運(yùn)動控制系統(tǒng)成為可能，適合于教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。

［1] 楊靜，黃江平，楊輝，陳世明，龔錦紅.“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31.

［2] 楊滌，李立濤.系統(tǒng)實(shí)時仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2002.