基于dSPACE的电气实时控制实验平台的设计

刘陵顺，张树团，高艳丽

(海军航空工程学院控制工程系，山东 烟台 264001)

0 引言

为培养具有高素质的满足军队需要的新型军事人才，军用电气工程专业必须在实践教学中贯彻理论与实践相结合，基础与创新应用相结合的原则。我们已建设成一个新型开放式的实验教学环境，它对于提高学生的创新能力和实践能力具有重要作用。我们基于dSPACE的测试平台DS1104和自行开发实验模块相结合的方式，构建了具有实时快速控制和扩展性强等特色的实验硬件。实验平台可以涵盖军用电气设备设计、军用电力系统及自动化、军用电力电子功率变换技术等方面的基础实验及创新开发实验，为快速构建不同类型的电气实时控制系统提供了方便，具有良好的开放性和扩展性。该实验平台采用强电与弱电相结合、软件与硬件相结合、元件与系统相结合等手段，注重基础教学兼顾超前研究，实现了实验内容与手段的推陈出新，体现了军用电气工程等学科领域的新技术应用。

1 dSPACE控制系统开发过程

本系统所研究的dSPACE硬件部分是单板系统DS1104，该控制器板由主处理器、辅助DSP、中断控制器、储存器、计时器以及主机接口六大部分组成。DS1104控制器板使用了PowerPC处理器来进行浮点运算，处理器主频为250MHz，运算能力相当强。DS1104控制器板还集成了以美国德州仪器公司的TMS320F240 DSP为核心的I/O子系统，可用来满足特殊的 I/O要求[1-2]。

基于快速控制原型(RCP)的机电系统仿真技术将电机、功率开关和传感器等实际对象接入仿真回路，只在仿真软件中对控制器进行建模，整个仿真系统按照实际时间运行;这样的半实物仿真更加贴近实际情况，因而可以获得实验系统的准确信息。基于Matlab/Simulink的dSPACE实时仿真系统是机电工业中著名的RCP开发平台。

Matlab提供了基于RTW(Real-Time Workshop)的实时开发环境。通过RTW能直接将Simulink模型转化为适合于目标配置的优化代码。dSPACE使用实时接口软件RTI(Real-Time Interface)对Matlab的RTW进行扩展，进而可与Matlab/Simulink无缝连接。RTI将dSPACE的代码生成与下载软件集成到Matlab中，作为Matlab的一个工具箱。用户可以通过图标的方式非常方便地在 Simulink环境中配置实际系统的I/O接口，并可以将 Simulink模型自动生成实时代码，下载到dSPACE的硬件系统上。dSPACE的综合实验与测试软件ControlDesk对运行在dSPACE硬件上的实时程序进行监控，以可视化界面对仿真过程进行控制和参数的在线调整。开发过程如图1所示。

图1 基于dSPACE的实验平台开发过程

2 电气实时控制实验平台的设计

2.1 电气实时控制实验平台的总体设计

根据电力电子技术与电力拖动驱动系统的结构与运行特点，本文提出离散事件逆变器系统与连续时间电机或电力电子系统解耦的实时仿真框架[3]，建立基于Simulink的电力驱动实时模型库，利用dSPACE DS1104实时实现军用电气系统中直流电机、异步电机、永磁或电励磁同步电机、无刷直流电机、电力电子技术中的交流、直流变换器驱动系统的实时控制以及军用电力系统、电气设备的实时控制。该实时控制系统具有与实际系统的实时硬件接口，可以与实际控制器、实际电机、实际电力电子变换器等系统直接相连，构成硬件在回路仿真测试或快速控制原形系统，实现对电力电子与电力传动系统进行测试、教学与施训。

图2所示为电气实时控制实验平台的硬件结构图，具体结构框图如图3所示。

图2 实时控制实验平台的硬件结构

图3 实时控制实验平台的结构框图

实时控制实验平台由计算机，dSPACE DS1104板基于专用智能功率模块IPM的主回路功率变换单元、基于Hall效应传感器的电流检测单元和电压检测单元和基于光电码盘的位置(转速)检测单元等组成。实验平台的电流传感器用于检测定子电流，将电机的相电流转换成微小电流信号，经信号调理电路送入 dSPACE DS1104板内的两路12位ADC;电压传感器用于检测直流母线电压，将直流母线电压转换成微小电压信号后，经信号调理电路送入dSPACE DS1104板内的一路12位的ADC。

2.2 检测与调理电路的设计

dSPACE DS1104的ADC允许输入的电压范围是-10V到+10V，这种双极性输入电压无需直流偏置电路，为交流电压和交流电流检测的调理电路设计带来了方便，如图4所示。

图4 采样与调理电路

光电码盘将检测到的转子位置信号转换成两路正交脉冲信号后，直接送入到dSPACE DS1104控制器板的增量编码器子系统，对检测到的信号进行相应的运算处理后，由一定的算法产生相应的PWM脉冲信号，直接驱动IPM产生期望的输出电压去控制电机的运行。

2.3 故障检测与综合系统的设计

dSPACE DS1104还需要负责系统的安全保护。当系统发生过载、过流等异常情况后，智能功率模块IPM内部集成的保护电路在实施保护动作的同时会发出一个故障报警信号，该信号被送到 dSPACE DS1104相应的引脚，引发外部中断的同时，触发PWM脉冲使能电路，用硬件保护方法封锁PWM脉冲，断开主电路，使系统停止工作，防止逆变器和电机损坏。

故障检测与综合系统如图5所示[4]。主要对电机绕组电流、直流母线电压和功率器件故障等进行检测和处理。对于交流电流信号，采用绝对值电路对交流电流进行整形，送入比较电路与参考电平进行比较;对于直流电压信号，则直接送入比较电路与参考电平进行比较，最后两者却将比较器输出送入CPLD进行综合处理。

图5 故障与检测电路

由于IPM具有承受短时间过流的能力，如能承受10μs短时间的过电流，则可通过VHDL编程对软件延迟时间进行调整，使检测电路避让5μs以内的过流信号(保持一定的裕度)。

2.4 建立通用的电力传动系统模型库

对于图3所示的传动系统实时控制实验平台，需要建立面向实时仿真的电力传动系统模型库。在库内应包括交流电源、电源与滤波系统、电机机械子系统、逆变器系统、无刷直流电机电气子系统、永磁同步电机电气子系统、异步电机电气子系统、直流电机电气子系统、PWM控制器、交流电机矢量控制子系统、交流电机直接转矩控制子系统、速度调节器和测速编码器等模型。每个模型都按照其物理结构进行建模，每个变量都与其实际具备一一对应的物理关系，可在实时仿真过程中进行实时访问。

2.5 建立电气控制系统离线仿真模型

我们利用Matlab/Simulink建立仿真对象的数学模型，设计控制方案，并对系统进行离线仿真。以dSPACE的RT1模块代替离线仿真中的接口和逻辑信号，得到基于dSPACE的电气控制系统在线仿真模型，利用dSPACE软件环境完成程序的编译与下载，得到控制系统的软件实现。

3 结语

本文采用基于Matlab/Simulink的控制系统开发及测试平台DS1104和自行开发实验模块相结合的方式构建了具有实时与快速控制的电气实时控制实验平台，该实时控制平台可与实际电气系统直接相连，构成硬件在回路仿真测试或快速控制原形系统，实现对军用电气系统及其他相关系统进行测试、教学与实训。该实验平台的建立有助于实现多层次和立体化的实践教学体系，对于满足不同基础学生的学习要求，促进学生的创新思维方法和能力的培养具有重要意义。

[1]dSPACE Release New Features and Mgration，Release 4.0[M]，dSPACE Gmbh，2004

[2]张浩.基于dSPACE的交流调速系统实验平台设计[J]，南京:电气电子教学学报，2010，32(1):76-79

[3]卢子广，柴建云，王祥珩等.电力驱动系统实时控制虚拟实验平台[J].北京:中国电机工程学报，2003，23(4):119-123

[4]李勇.基于电力电子技术的异步电机发电技术研究[D].南京:南京航空航天大学，2008，12