基于V模式的dSPACE電機控制器開發

張 奇

(山東大學 控制科學與工程學院, 山東 濟南 250061)

0 引 言

近年來，控制器性能飛速發展，產品的控制代碼呈現爆炸性增長。早期第四代戰機F35的軟件代碼就已高達800萬行，而現在一臺中高檔汽車的執行代碼也已超過1 000萬行。在電機控制領域，一臺電機的控制代碼有時也達數千行。隨著代碼量的迅速膨脹，傳統開發模式的缺陷日益明顯，手工編程面臨著產品開發周期拉長，開發成本倍增，可靠性難以保障等諸多問題，已很難適應當前社會對產品研發的要求[1]。

V模式流程解決了傳統開發的諸多問題，逐漸成為航空航天、汽車、工業控制等行業廣泛采用的控制器開發模式。其流程主要包括需求分析與離線仿真、快速控制原型設計、代碼生成與原型在環、控制器硬件在環測試和在線標定等五個階段。相比于傳統的設計方法，如圖1所示，基于V模式的各個階段是相互關聯在一起的，任何錯誤都能在同一平臺解決，代碼可采用 Code GeneratorTM、RTI等代碼生成工具自動生成[2]，縮減了手工編程所需的人力、物力和時間，開發者可以把主要的精力放在算法和測試用例的建模研究上[3]。本文基于V模式開發流程的思想，借助dSPACE實時仿真系統，實現了異步電機的矢量控制。

1 控制系統建模與離線仿真

需求分析與離線仿真階段，主要是根據被控對象模型，搭建滿足要求的控制器算法模型。

1.1 控制對象模型

異步電機在現代工業中應用廣泛，在設計電機控制算法之前必須對其復雜的內部電磁關系有一個清晰的認識[4]，根據異步電機物理模型的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程和運動方程，可得到在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型，建模過程較為簡單，不再詳述，異步電機的主要參數如表1所示。

表1 交流異步電機主要參數

1.2 矢量控制器建模

矢量控制實現了交流電機調速范圍寬、動態性能好、零速時輸出額定轉矩等高性能控制，應用廣泛。

為了對比控制效果，建立了電流滯環PWM調制方式的三相電流閉環控制系統，其原理如圖3所示。

理論上講，兩者電流閉環作用相同，差異是后者一般采用硬件電路實現，多見于早期產品；前者可采用軟件實現，隨著控制器性能的不斷提高，現代產品多采用軟件電流閉環方式，可用dSPACE系統實現[5]。

1.3 仿真結果分析

電機模型的參數采用表1，仿真過程固定步長取1e-5。為驗證轉速響應速度和對轉矩突變的抗干擾性，在電機帶負載0.2 N·m的條件下，給定初始轉速為92 rad/s，在0.06 s時給定轉速變為200 rad/s，在0.12 s時突加負載轉矩擾動0.4 N·m，仿真結果如圖4、5所示。

圖4 負載實驗轉速響應曲線

從仿真結果可知，兩者的轉速響應都很快，能夠在很短的時間內達到期望的轉速；電機運行過程中，當負載發生突變時，對轉速的影響很小，系統抗負載擾動性能較強。電流滯環的矢量控制的轉速響應更快，但存在較大的超調，究其原因，其采用電流兩點式控制，動態響應快，但電流紋波相對較大； SVPWM調制方式的矢量控制因其采用連續的PI控制，轉速響應較慢，但超調很小，一般來說電流紋波也略小。

從轉矩響應曲線可知，在負載轉矩和擾動已知的情況下，三相電流閉環矢量控制對負載轉矩變化的抑制能力較好，轉矩響應快，但轉矩穩態誤差較大；轉矩分量和磁鏈分量的矢量控制對負載轉矩變化的響應較慢，但穩態精度較高。

圖5 空載實驗轉矩響應曲線

2 快速控制原型與自動代碼生成

本文采用dSPACE實時仿真系統MicroAutoBOxII取代以往的單片機、DSP等，控制算法能夠在線修正，實現電機控制器的快速開發[6]。

2.1 程序流程設計

系統程序首先完成對系統的初始化操作，包括dSPACE各硬件接口、編碼器單元的初始化配置、全局變量初始化等，確定dSPACE的I/O及外圍器件的初始狀態，然后配置控制器參數，完成系統工作狀態故障檢測，若系統工作狀態正常則進入正常的控制主程序。矢量控制程序根據轉速、定子電流的采樣數據，通過坐標變換與反變換、轉差頻率計算、數據處理等功能，完成了對電機轉速、轉矩的精確控制[7-8]。

2.2 實時快速控制模型

電機控制程序的實現，只需在建立的Simulink仿真模型的基礎上，保留控制算法模塊，用RTI的I/O接口模塊替換原來的邏輯運算即可[9]，如圖6所示。

圖6 dSPACE控制程序的實現

2.3 自動代碼生成

通過RTW實現了控制模型到控制代碼的自動生成與下載[10]。通過CCP編譯器自動生成的部分C代碼程序。與人工編寫的代碼相比，自動生成的C代碼可讀性不高，但結構緊湊，代碼量少，容錯性較好，精確度較高。通過對生成代碼的頭文件、配置文件的修改，可實現代碼重用和可移植性，為快速在單片機、DSP等處理器中的應用提供了方便。

3 dSPACE硬件在環測試[11-14]

3.1 實驗平臺構成

控制器原型設計完成之后，需要在半實物仿真平臺上進行硬件在環實驗，實驗平臺由dSPACE實時系統、控制計算機、 電機及DR系列功率驅動器、位置/轉速檢測單元、調壓器、磁滯測功機、上位機監控軟件ControlDesk、數字示波器等組成，如圖7所示。

圖7 實驗平臺硬件連接原理示意圖

圖8 ControlDesk編制的虛擬儀表監控和測試界面

傳感器、編碼器等實現了定子兩相電流、直流母線電壓、溫度、轉速的檢測；由于dSPACE輸出的PWM波為高電平有效，而IPM輸入PWM的控制驅動信號為低電平有效，為保證死區電平為高電平，PWM必須先經過74HC14反相，才能控制IGBT的通斷。當系統發生過載、過流等異常時，IPM保護電路在實施保護動作的同時，發出一個故障檢測信號送到 dSPACE的數字量輸入接口，觸發dSPACE封鎖PWM脈沖使系統停止工作，防止損壞電機和逆變器。

3.2 實驗在線監控

使用RTW自動生成目標C文件、系統配置和描述文件后，用ControlDesk綜合實驗軟件來實時監控程序運行、在線調整參數、繪制曲線、記錄數據等[15]。

圖8為使用ControlDesk編制的虛擬儀器監控測試界面，故障信號、系統和PWM輸出使能狀態、PWM輸出占空比、三相電流、直流母線電壓、轉速、溫度等都可以在線顯示或修改。

4 實驗結果分析

4.1 死區時間設置

為防止同相上下橋臂IGBT同時導通而燒毀IPM， 實驗中根據IGBT的開關速度，設置死區時間為5 μs。由圖9觀測的PWM波形可知，a相上下橋臂的PWM控制通斷的波形為互補模式，但兩者之間有一定的相位差，即死區時間。同時74HC14不僅實現了PWM反相，而且消除了PWM的干擾和毛刺。

圖9 dSPACE 輸出PWM與經74HC14反相后的波形對比

4.2 信號采集濾波

圖10(a)是三相定子電流ia的波形曲線，可以看出，電流霍爾傳感器的輸出存在大量的干擾諧波分量，嚴重影響了矢量控制精度，必須加入濾波環節，但同時會帶來延滯，為了平衡延滯作用，需要在電流給定環節中加入一個相同時間常數的給定濾波慣性環節[16]。 圖10(b)是加入濾波環節之后，測得的定子電流ia的波形，可以看出電流波形得到修正，濾波效果明顯。

4.3 矢量控制轉速實驗

從圖11電機轉速響應曲線可知，矢量控制可以控制電機快速無超調地至給定轉速，穩態精度高。

5 結 語

V模式開發使控制算法能在實時硬件上方便快速地進行修改和進行硬件在環測試，從而在設計初期就能發現存在的問題，整個開發過程基于同一平臺、循環往復，大大縮短項目的開發周期，在復雜控制算法的實現上其優勢更加明顯，該開發模式可以廣泛用于各行業控制器從設計仿真到具體實現的開發過程。

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