基于dSPACE的二維自由度控制系統

馬玉靜，李學軍，劉 為

(長春大學 a.電子信息工程學院;b.計算機科學技術學院，長春 130022)

0 引言

隨著快速發展的計算機仿真技術，半實物仿真技術的應用也十分廣泛，成為控制系統設計的重要手段。借助該技術的靈活性和真實性，縮短了研發周期，減輕設計者的工作量，同時也。在眾多的半實物仿真系統中，基于dSPACE(德國公司)搭建的半實物仿真系統，實現了與MATLAB/Simulink的完全無縫連接，可快速完成從Simulink模型到dSPACE實時代碼生成，因此能反復修改模型設計、離線仿真和半實物仿真;并且通過將快速原型硬件系統與實際要控制設備相連，可以在線修改控制器的參數來改善實際系統的動態性能。

1 dSPACE系統構成及特點

dSPACE(digital Signal Processing and Control Engineering)半實物仿真控制系統［1］，是由德國dSPACE公司提供，是基于Matlab/Simulink環境下控制系統開發與性能測試平臺。其仿真器包括硬件和軟件兩部分，其中MicroAutoBox為主要硬件;軟件環境包括能生成實時代碼、RTI(Real Time Interface)［2］模塊庫 和自動測試軟件(Control Desk)［3］。

dSPACE實時仿真系統與其他實時系統相比較有如下特點:

(1)使用標準組件系統，利用多種CPU、A/D、D/A板，可以對系統進行多種組合，構建半實物仿真系統。

(2)通過Matlab/Simulink的無縫鏈接，實現從非實時分析設計到實時分析的良好過渡。

(3)精心設計的高可靠性硬件系統，標準總線的硬件接口，基于PC機、WINDOWS操作系統的代碼生成及下載軟件、試驗軟件，方便掌握使用。

(4)根據用戶的需求，允許用戶可以靈活在單板/多板系統、自動生成代碼/手工編制代碼選擇等。

由于dSPACE有無可比擬的優越性，現已在很多領域得到廣泛的應用。如汽車、發動機、機器人及工業控制等領域。也被學校及研究部門使用，來解決實際問題。

2 二維自由度工作臺設計

2.1 二維自由度工作臺的結構

“慧魚創意組合模型(Fischertechnik)”是德國發明家Artur Fischer博士于1964年發明的。該模型是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型，可以通過多種組合變化模擬簡單或復雜的模型，并通過計算機接口及相關軟件編程對模型進行控制，采用比較直觀的圖形化程序語言實現數據采集和儀器控制。本文就是利用慧魚創意組合的靈活性和創新性來搭建模擬工業上常用到的二維自由度工作臺。

二維自由度工作臺使用的主要零件是齒輪(C1、C2)、連桿、圓盤、立柱、蝸輪、蝸桿、微型電機(M1、M2)以及各種接插件，緊固件等。按設計要求組裝的二維工作臺模型。二維自由度工作臺實物如圖1所示。

2.2 二維自由度工作臺的設計原理

圖1 二維自由度工作臺實物

該工作平臺的運動是由9V直流電機(M1、M2進行驅動，電機又通過兩級齒輪減速機構來帶動由渦輪和蝸桿構成的螺旋傳動系統，并沿直線運動，這樣構成了二維自由度工作臺的傳動系統。其中直流電機M1帶動絲杠(S1)沿X軸方向左右移動，直流電機M2通過絲杠(S2)帶動運動系統E沿Y軸方向上下移動。

由于在dSPACE平臺環境下，通過模塊(DAC)輸出的電壓和電流信號很小，不能直接控制工作臺的運動，必須通過一個直流放大驅動電路去控制工作臺的直流電機運轉，實現對工作臺運動的控制。我們采用由LG9110芯片和外圍器件構成的電路作為驅動電路，該芯片是雙通道推挽式功率放大專用集成電路器件，其抗干擾能力強，而且兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，每個通道能通過750～800mA的持續電流，具有較強的電流驅動能力。所以該工作臺采用此驅動放大電路完全可以實現對二維自由度工作臺運動的控制。

3 半實物仿真試驗設計

該半實物仿真平臺［4］主要由工控機、PC機、dSPACE仿真控制器和二維自由度工作臺等構成。其中采用帶有多個插槽的ISA總線的工控機和裝有Matlab/Simulink［5］［6］(Matlab7.0)、dSPACE軟件的PC機，Simulink構建控制系統框圖，方便調節控制器參數，進行離線仿真，這就構成了半實物仿真的上位機。dSPACE標準組件系統中的處理器與上位機相連，采用光纜來接進行交換數據，采用dSPACE單板系統DS1401控制板作為原型機，實現控制器的控制算法。半實物仿真試驗系統結構框圖如圖2所示。

圖2 半實物仿真試驗系統結構框圖

圖3 半實物仿真試驗臺實物圖

通常情況下在計算機完成半實物仿真過程，需以下幾個步驟:

步驟1:建立Simulink模型。在Simulink模塊庫將控制所需輸入、輸出等模塊添加到Simulink框圖中，設置相關參數。

步驟2:dSPACE平臺中的RTI模塊庫，選擇實時仿真測試所需的I/O、A/D、D/A模塊，添加到Simulink框圖中，并對參數進行設置。

步驟3:選擇RTW Build自動完成實時C代碼的生成、編譯、鏈接和下載。通過TargetLink下載到硬件平臺MicroAutoBox中，進行半實物仿真試驗。

步驟4:創建監控界面。在dSPACE軟環境ControlDesk下建立虛擬儀表和下載目標應用程序，進行半實物仿真，在線調整參數及在線控制，實現仿真變量的可視化監控，直觀反映試驗過程。

4 仿真結果

通過已建立的半實物仿真系統，我們選擇二維自由度工作臺實物的運動實現為控制對象，利用dSPACE仿真控制器，實時調整參數來驗證控制效果。

在Matlab/Simulink環境下，采用Simulink建立控制模型實時框圖，完成算法框圖的建立及代碼生成、編譯及下載。同時將dSPACE的硬件系統與外部受控對象(二維自由度工作臺)對應控制口相連，實現對工作臺的實時控制。控制系統仿真模型如圖4所示。

控制系統采用脈寬調制方式PWM，加在工作臺中直流電機兩端的電壓為方波形式，其電機速度調節是通過改變方波的占空比實現。控制系統仿真模型如圖4所示。

圖4 控制系統仿真模型

圖中DAC-TYPE1-M1-C2、DAC-TYPE1-M1-C1兩個模塊實現D/A轉換(輸出直流電壓范圍為0-5V，電流為20mA)，與二維自由工作臺的驅動放大電路相連，來控制工作臺的X軸方向和Y軸方向運動，這樣就構成了半實物仿真系統的控制回路。通過dSPACE的測試軟件(Control Desk)建立監控界面，在線調參，觀測控制效果。監控界面輸出波形如圖5所示。

圖5 監控界面輸出的波形圖

5 結語

本文利用dSPACE半實物仿真平臺，通過Simulink構建的控制系統模型，借助dSPACE成熟的硬件接口與軟件工具，快捷方便的實現了二維自由度工作臺系統的控制，達到了預期的效果。說明通過此方法獲得的實驗結果更能體現實際系統的動態性能，表明dSPACE半實物仿真平臺具有高仿真度和可靠性的特點。

［1］dSPACE User Guide Implementation Guide［M］.dSPACE Inc.2003.

［2］dSPACE Inc.Real Time Interface(RTI and RTIMP)Implementation Guid［M］.dSPACE GmbH.2005.

［3］dSPACE In c.Cont rolDesk Experiment Guide［M］.dSPACE GmbH.2005.

［4］李學軍，張玲霞，馬玉靜.基于dSPACE半實物仿真平臺設計［J］.長春大學學報，2011(6):4-5，12.

［5］楊滌，李立濤，楊旭，朱承元.系統實時仿真開發環境與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［6］雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/Simulink平臺的實時仿真技術研究系統仿真技術研究［J］.系統仿真技術，2005，1(3):131-135.