基于dSPACE的剛柔耦合多電機控制實驗平臺

周林娜，王 眾，劉金浩，常俊林，楊春雨

（中國礦業大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221008）

電機控制是控制科學與工程、電氣工程等學科領域的重要教學內容和科研對象[1-4]。一方面，電機適合用于驗證滑模控制、自抗擾控制、魯棒控制、智能控制等先進控制算法的可行性和有效性；另一方面，電機廣泛用于機器人、工農業裝備、家用電器等。因此，電機控制實驗平臺廣泛用于高等院校和科研院所的教學和科研活動。隨著先進控制理論的不斷發展和多電機實際系統的廣泛應用，多電機控制的教學和研究得到眾多專家、學者和工程師的關注，涉及的實驗超出了傳統電機控制實驗平臺的適用范圍。多電機系統的耦合方式可以分為無物理聯接、剛性聯接、柔性聯接和剛柔耦合聯接等[5-8]。綜合考慮上述耦合方式，研制剛柔耦合多電機控制實驗平臺對促進相關領域的教學和科研工作具有重要意義。

傳統電機控制實驗平臺大多僅考慮單電機系統[9-13]。例如，文獻[9]設計了基于DSP的電機控制綜合實驗平臺，已經成功運用到實際教學中，取得了良好的教學效果；文獻[10]設計開發了基于 PXI的永磁同步電機快速控制原型教學實驗平臺，能夠完成永磁同步電機先進控制算法的快速驗證。這類實驗平臺能夠完成單電機控制實驗，但是無法進行多電機控制實驗。近年來，多電機控制實驗平臺引起了眾多學者的關注[14-16]。例如，文獻[14]開發了基于LabVIEW電動車輛雙電機控制教學實驗平臺，文獻[15]開發了基于STC單片機的多電機驅動實驗平臺。但是，這類實驗平臺的電機耦合方式僅為無物理聯接或剛性物理聯接，無法開展柔性聯接和剛柔耦合多電機控制實驗。

在高校自動化本科專業和控制科學與工程研究生專業，基于快速控制原型技術的實驗教學對于培養學生將控制理論和實踐快速結合的能力十分重要[17]。dSPACE軟硬件是進行快速控制原型驗證和半實物仿真的實時平臺，可以實現與 MATLAB/Simulink的無縫連接，高效、快捷地完成實驗教學任務[17-20]。鑒于此，本文基于dSPACE研發了剛柔耦合多電機控制實驗平臺。首先，全面考慮常見的多電機耦合方式，設計了一種占用空間小、操作方便、結構簡單、成本低廉和安全性高的剛柔耦合多電機實驗裝置。然后，基于dSPACE設計了實驗平臺的硬件和軟件系統，實現平臺運行信號的實時監測、運行參數的在線修改和控制算法的更替。最后，通過實驗驗證了該平臺的有效性。該平臺能完成單電機、無物理聯接雙電機、剛性聯接雙電機、柔性聯接雙電機和剛柔耦合多電機控制的實驗，為相關領域的本科生、研究生和科研人員的實驗教學和科研工作奠定了基礎。

1 剛柔耦合多電機實驗裝置設計

剛柔耦合多電機實驗裝置由電機、扭矩傳感器、張力傳感器、傳動軸、驅動滾筒、柔性皮帶和剛性聯軸器組成。電機1、2和3選用表貼式永磁同步電機，各電機均可實現有和無減速箱的切換，并且每臺電機分別配備一個扭矩傳感器，電機與扭矩傳感器通過傳動軸連接。在皮帶的中段配備一個張力傳感器，用來調節皮帶松緊、改變張力、測量張力大小。電機1和3通過驅動滾筒、剛性聯軸器和傳動軸構成剛性聯接的雙電機系統；電機1和 2分別通過傳動軸連接驅動滾筒1和2，驅動滾筒1和2連接柔性皮帶，構成柔性聯接雙電機系統；拆掉皮帶后，電機1和2構成無物理聯接的雙電機系統。可見，該實驗裝置能滿足單電機、無物理聯接雙電機、剛性聯接雙電機、柔性聯接雙電機和剛柔耦合多電機控制的實驗要求。

剛柔耦合多電機實驗裝置實物如圖1所示。其中，電機型號為ACSM60-G00630LZ，額定功率PN= 200 W，額定電壓UN= 220 V，額定電流IN= 1.5 A，額定轉速nN= 3 000 r/min，極對數np= 4，電機的轉速可以由自帶編碼器輸出；扭矩傳感器型號為PK80G- 10，輸出為電機扭矩，其量程為0～10 N?m，精度為0.3%；減速箱型號為 NB060-10，減速比為 10；張力傳感器型號為PKSTS-5KG，額定載荷為10～300 N；皮帶型號為EMG32-W20-L0.86，材質為橡膠，長860 mm，寬20 mm。

圖1 剛柔耦合多電機實驗裝置實物圖

2 剛柔耦合多電機控制實驗平臺設計

2.1 硬件系統設計

剛柔耦合多電機控制實驗平臺的硬件系統由節 1設計的實驗裝置及MicroLabBox控制器、變流器、調壓器和上位機等組成，實物如圖2所示。

圖2 剛柔耦合多電機控制實驗平臺實物圖

MicroLabBox控制器屬于dSPACE硬件系統，用于快速控制原型系統的開發。MicroLabBox配置了高性能處理器，提供數字信號I/O和模擬信號I/O，具有以太網、USB、LVDS、CAN、RS232、RS422和RS485通信接口。在電機控制方面，MicroLabBox搭載了 6個增量式編碼器接口，且支持多相PWM輸出和方波PWM輸出。

調壓器負責調整被控電機的交流電壓值，可進行低壓、額定電壓和過壓等多種工況下多電機控制算法的性能測試。

變流器主要由 MicroLabBox-DS1202信號轉接板、信號處理板、驅動板和濾波板等器件組成。變流器主要實現以下功能：①電壓電流等模擬量的輸入輸出；②扭矩信號等數字量的輸入輸出；③編碼器等脈沖信號的輸入輸出；④過壓過流硬件保護；⑤傳感器直流電壓供電；⑥輸出由MicroLabBox控制器發出的控制信號（如PWM控制信號等）。

上位機為配有Windows 64位操作系統的計算機，且安裝MATLAB 2019b及附加的Simulink和Simulink Coder工具箱。

在通信方面，電機的動力線和傳感器的信號線與變流器中的對應接口連接；變流器與MicroLabBox控制器之間通過BNC線和DB50線分別實現模擬信號和數字信號的傳輸；上位機與MicroLabBox控制器之間通過UTP網線連接，實現上位機和控制器之間的實時通信。

2.2 軟件系統設計

剛柔耦合多電機控制實驗平臺的軟件系統主要是利用 MATLAB/Simulink、RTI（real-time-interface）和ControlDesk三個軟件進行設計。MATLAB/Simulink主要負責電機控制算法的設計；RTI是實時接口模塊庫，以圖形化方式對所有 I/O接口進行配置，對MicroLabBox控制器的輸入輸出信號進行實時處理；ControlDesk是dSPACE綜合實驗和測試環境，用于測控實驗過程管理，可實現模型參數的在線調整和虛擬儀表界面的建立。

實驗平臺的軟件系統主要包括：Simulink中的傳感器模擬信號輸出單元、數字信號輸入輸出單元、PWM生成和軟保護單元、多電機控制算法單元和ControlDesk中的上位機虛擬儀表界面。

在傳感器模擬信號輸出單元中，輸出數據包括測量的電機定子三相電流、變流器的直流母線電壓電流、皮帶張力和電機溫度。具體地，不同傳感器的模擬量采樣參數不同，需要根據各個傳感器的使用文檔進行倍數設置；部分傳感器所測信號不是實際所需信號，例如溫度傳感器測量輸出為電壓信號，張力傳感器測量輸出為頻率信號，需要通過信號轉換模塊進行轉換；在測量模擬量時可能會發生零點漂移現象，因此加入了零漂消除模塊；傳感器測量的三相靜止電流結合編碼器測量的電角度，經過坐標變換即可得到兩相旋轉坐標系電流。

傳感器數字信號輸入輸出單元中，當變流器出現過流、過壓和過溫時，會發出故障報警信號，同時可以輸出電機的轉矩、轉速和位置信號；當出現故障信號時，可以輸入數字信號使故障狀態復位，變流器恢復正常運行；當突加電壓超過200 V時，需要輸入數字信號接入緩沖電阻，以保護硬件電路。

PWM 生成和軟保護單元采用空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）技術，利用 SVPWM模塊計算三相IGBT的導通時間并轉換為占空比，輸入到3個PWM生成模塊，并設置開關周期；軟保護模塊可以保證在電機直流母線電壓、定子三相電流或溫度超過設置的最大值時，給定PWM生成模塊一個保證電機安全運行的占空比；當變流器發出故障信號時，會直接停止PWM的輸出，也可以手動停止。

多電機控制算法單元根據實際實驗所需進行設計，實現主從控制、并行控制、交叉耦合控制及更先進的多電機控制算法[3-5]。

圖3 上位機虛擬儀表界面

上位機虛擬儀表界面如圖3所示，主要由示波區、算法參數調整區和系統狀態區三部分組成。示波區主要對電機轉速、三相交流電流、皮帶張力和電機扭矩等信號進行實時監測；算法參數調整區可對給定轉速、PI參數和開環給定頻率等進行在線調整；系統狀態區可實時監測系統狀態，過溫、過流和過壓等故障狀態可觸發紅色故障燈。

3 剛柔耦合多電機控制實驗平臺測試

基于此實驗平臺，進行柔性聯結雙電機控制實驗，其中，單臺電機采用id=0雙閉環矢量控制，雙電機之間采用主從控制，主電機配備轉速調節器（ASR），其輸出作為主、從電機各自電流調節器（包括ACDR、ACQR）的設定值。實驗具體步驟為：

（1）在Simulink中建立柔性聯結雙電機主從控制算法單元。

（2）將模型中的輸入信號連接至傳感器信號輸入輸出單元，輸出信號連接至PWM生成單元，形成完整的柔性聯結雙電機控制仿真系統，如圖4所示。

（3）點擊Build Model，Simulink Coder工具箱即可編譯生成MicroLabBox控制器可執行的實時C控制代碼和工程索引文件（.sdf），并自動連接控制器，將實時代碼下載至控制器。

（4）利用 ControlDesk上位機軟件加載工程索引文件進行實時實驗。

在實驗測試中，在上位機虛擬儀表界面中設置控制算法參數，具體為：ASR的 PI參數為kPS1= 0 .5，kIS1=5；ACDR1和ACDR2的PI參數為kPD1=kPD2= 8 ，kID1=kID2= 8；ACQR1和 ACQR2調節器的 PI參數為kPQ1=kPQ2=8，kIQ1=kIQ2=8；電機1的給定轉速為ω1= 5 0rad/s；運行時間設置為t=10s，在t=5s時通過負載電機3施加反向的轉速ω3= 5 rad/s。

圖5為電機1和2的轉速差曲線，圖6為電機1和2的轉矩差曲線。可以看出，當系統啟動和負載發生變化時，電機的轉速差和轉矩差在出現一定波動后迅速恢復至0附近，這表示柔性聯結的雙電機實現了轉速同步和轉矩同步。

圖4 柔性聯結雙電機控制仿真系統

圖5 電機1和2的轉速差

圖6 電機1和2的轉矩差

4 結語

本文根據高校教學與科研實驗的需求設計了一種基于dSPACE的剛柔耦合多電機控制實驗平臺，該平臺空間占用小、操作方便、結構簡單、成本低廉并且安全性高，能夠對剛柔耦合多電機系統進行實時監測、在線修改參數、模塊化編程和靈活更改控制算法。該平臺有助于學生理解電機控制原理和多電機系統之間的耦合關系，為進一步研究復雜環境下的多電機高精度控制提供了實驗條件，可快速驗證多電機控制算法，顯著提高教學和科研工作效率。