基于dSPACE的刚柔耦合多电机控制实验平台

周林娜，王 众，刘金浩，常俊林，杨春雨

（中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221008）

电机控制是控制科学与工程、电气工程等学科领域的重要教学内容和科研对象[1-4]。一方面，电机适合用于验证滑模控制、自抗扰控制、鲁棒控制、智能控制等先进控制算法的可行性和有效性；另一方面，电机广泛用于机器人、工农业装备、家用电器等。因此，电机控制实验平台广泛用于高等院校和科研院所的教学和科研活动。随着先进控制理论的不断发展和多电机实际系统的广泛应用，多电机控制的教学和研究得到众多专家、学者和工程师的关注，涉及的实验超出了传统电机控制实验平台的适用范围。多电机系统的耦合方式可以分为无物理联接、刚性联接、柔性联接和刚柔耦合联接等[5-8]。综合考虑上述耦合方式，研制刚柔耦合多电机控制实验平台对促进相关领域的教学和科研工作具有重要意义。

传统电机控制实验平台大多仅考虑单电机系统[9-13]。例如，文献[9]设计了基于DSP的电机控制综合实验平台，已经成功运用到实际教学中，取得了良好的教学效果；文献[10]设计开发了基于 PXI的永磁同步电机快速控制原型教学实验平台，能够完成永磁同步电机先进控制算法的快速验证。这类实验平台能够完成单电机控制实验，但是无法进行多电机控制实验。近年来，多电机控制实验平台引起了众多学者的关注[14-16]。例如，文献[14]开发了基于LabVIEW电动车辆双电机控制教学实验平台，文献[15]开发了基于STC单片机的多电机驱动实验平台。但是，这类实验平台的电机耦合方式仅为无物理联接或刚性物理联接，无法开展柔性联接和刚柔耦合多电机控制实验。

在高校自动化本科专业和控制科学与工程研究生专业，基于快速控制原型技术的实验教学对于培养学生将控制理论和实践快速结合的能力十分重要[17]。dSPACE软硬件是进行快速控制原型验证和半实物仿真的实时平台，可以实现与 MATLAB/Simulink的无缝连接，高效、快捷地完成实验教学任务[17-20]。鉴于此，本文基于dSPACE研发了刚柔耦合多电机控制实验平台。首先，全面考虑常见的多电机耦合方式，设计了一种占用空间小、操作方便、结构简单、成本低廉和安全性高的刚柔耦合多电机实验装置。然后，基于dSPACE设计了实验平台的硬件和软件系统，实现平台运行信号的实时监测、运行参数的在线修改和控制算法的更替。最后，通过实验验证了该平台的有效性。该平台能完成单电机、无物理联接双电机、刚性联接双电机、柔性联接双电机和刚柔耦合多电机控制的实验，为相关领域的本科生、研究生和科研人员的实验教学和科研工作奠定了基础。

1 刚柔耦合多电机实验装置设计

刚柔耦合多电机实验装置由电机、扭矩传感器、张力传感器、传动轴、驱动滚筒、柔性皮带和刚性联轴器组成。电机1、2和3选用表贴式永磁同步电机，各电机均可实现有和无减速箱的切换，并且每台电机分别配备一个扭矩传感器，电机与扭矩传感器通过传动轴连接。在皮带的中段配备一个张力传感器，用来调节皮带松紧、改变张力、测量张力大小。电机1和3通过驱动滚筒、刚性联轴器和传动轴构成刚性联接的双电机系统；电机1和 2分别通过传动轴连接驱动滚筒1和2，驱动滚筒1和2连接柔性皮带，构成柔性联接双电机系统；拆掉皮带后，电机1和2构成无物理联接的双电机系统。可见，该实验装置能满足单电机、无物理联接双电机、刚性联接双电机、柔性联接双电机和刚柔耦合多电机控制的实验要求。

刚柔耦合多电机实验装置实物如图1所示。其中，电机型号为ACSM60-G00630LZ，额定功率PN= 200 W，额定电压UN= 220 V，额定电流IN= 1.5 A，额定转速nN= 3 000 r/min，极对数np= 4，电机的转速可以由自带编码器输出；扭矩传感器型号为PK80G- 10，输出为电机扭矩，其量程为0～10 N⋅m，精度为0.3%；减速箱型号为 NB060-10，减速比为 10；张力传感器型号为PKSTS-5KG，额定载荷为10～300 N；皮带型号为EMG32-W20-L0.86，材质为橡胶，长860 mm，宽20 mm。

图1 刚柔耦合多电机实验装置实物图

2 刚柔耦合多电机控制实验平台设计

2.1 硬件系统设计

刚柔耦合多电机控制实验平台的硬件系统由节 1设计的实验装置及MicroLabBox控制器、变流器、调压器和上位机等组成，实物如图2所示。

图2 刚柔耦合多电机控制实验平台实物图

MicroLabBox控制器属于dSPACE硬件系统，用于快速控制原型系统的开发。MicroLabBox配置了高性能处理器，提供数字信号I/O和模拟信号I/O，具有以太网、USB、LVDS、CAN、RS232、RS422和RS485通信接口。在电机控制方面，MicroLabBox搭载了 6个增量式编码器接口，且支持多相PWM输出和方波PWM输出。

调压器负责调整被控电机的交流电压值，可进行低压、额定电压和过压等多种工况下多电机控制算法的性能测试。

变流器主要由 MicroLabBox-DS1202信号转接板、信号处理板、驱动板和滤波板等器件组成。变流器主要实现以下功能：①电压电流等模拟量的输入输出；②扭矩信号等数字量的输入输出；③编码器等脉冲信号的输入输出；④过压过流硬件保护；⑤传感器直流电压供电；⑥输出由MicroLabBox控制器发出的控制信号（如PWM控制信号等）。

上位机为配有Windows 64位操作系统的计算机，且安装MATLAB 2019b及附加的Simulink和Simulink Coder工具箱。

在通信方面，电机的动力线和传感器的信号线与变流器中的对应接口连接；变流器与MicroLabBox控制器之间通过BNC线和DB50线分别实现模拟信号和数字信号的传输；上位机与MicroLabBox控制器之间通过UTP网线连接，实现上位机和控制器之间的实时通信。

2.2 软件系统设计

刚柔耦合多电机控制实验平台的软件系统主要是利用 MATLAB/Simulink、RTI（real-time-interface）和ControlDesk三个软件进行设计。MATLAB/Simulink主要负责电机控制算法的设计；RTI是实时接口模块库，以图形化方式对所有 I/O接口进行配置，对MicroLabBox控制器的输入输出信号进行实时处理；ControlDesk是dSPACE综合实验和测试环境，用于测控实验过程管理，可实现模型参数的在线调整和虚拟仪表界面的建立。

实验平台的软件系统主要包括：Simulink中的传感器模拟信号输出单元、数字信号输入输出单元、PWM生成和软保护单元、多电机控制算法单元和ControlDesk中的上位机虚拟仪表界面。

在传感器模拟信号输出单元中，输出数据包括测量的电机定子三相电流、变流器的直流母线电压电流、皮带张力和电机温度。具体地，不同传感器的模拟量采样参数不同，需要根据各个传感器的使用文档进行倍数设置；部分传感器所测信号不是实际所需信号，例如温度传感器测量输出为电压信号，张力传感器测量输出为频率信号，需要通过信号转换模块进行转换；在测量模拟量时可能会发生零点漂移现象，因此加入了零漂消除模块；传感器测量的三相静止电流结合编码器测量的电角度，经过坐标变换即可得到两相旋转坐标系电流。

传感器数字信号输入输出单元中，当变流器出现过流、过压和过温时，会发出故障报警信号，同时可以输出电机的转矩、转速和位置信号；当出现故障信号时，可以输入数字信号使故障状态复位，变流器恢复正常运行；当突加电压超过200 V时，需要输入数字信号接入缓冲电阻，以保护硬件电路。

PWM 生成和软保护单元采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术，利用 SVPWM模块计算三相IGBT的导通时间并转换为占空比，输入到3个PWM生成模块，并设置开关周期；软保护模块可以保证在电机直流母线电压、定子三相电流或温度超过设置的最大值时，给定PWM生成模块一个保证电机安全运行的占空比；当变流器发出故障信号时，会直接停止PWM的输出，也可以手动停止。

多电机控制算法单元根据实际实验所需进行设计，实现主从控制、并行控制、交叉耦合控制及更先进的多电机控制算法[3-5]。

图3 上位机虚拟仪表界面

上位机虚拟仪表界面如图3所示，主要由示波区、算法参数调整区和系统状态区三部分组成。示波区主要对电机转速、三相交流电流、皮带张力和电机扭矩等信号进行实时监测；算法参数调整区可对给定转速、PI参数和开环给定频率等进行在线调整；系统状态区可实时监测系统状态，过温、过流和过压等故障状态可触发红色故障灯。

3 刚柔耦合多电机控制实验平台测试

基于此实验平台，进行柔性联结双电机控制实验，其中，单台电机采用id=0双闭环矢量控制，双电机之间采用主从控制，主电机配备转速调节器（ASR），其输出作为主、从电机各自电流调节器（包括ACDR、ACQR）的设定值。实验具体步骤为：

（1）在Simulink中建立柔性联结双电机主从控制算法单元。

（2）将模型中的输入信号连接至传感器信号输入输出单元，输出信号连接至PWM生成单元，形成完整的柔性联结双电机控制仿真系统，如图4所示。

（3）点击Build Model，Simulink Coder工具箱即可编译生成MicroLabBox控制器可执行的实时C控制代码和工程索引文件（.sdf），并自动连接控制器，将实时代码下载至控制器。

（4）利用 ControlDesk上位机软件加载工程索引文件进行实时实验。

在实验测试中，在上位机虚拟仪表界面中设置控制算法参数，具体为：ASR的 PI参数为kPS1= 0 .5，kIS1=5；ACDR1和ACDR2的PI参数为kPD1=kPD2= 8 ，kID1=kID2= 8；ACQR1和 ACQR2调节器的 PI参数为kPQ1=kPQ2=8，kIQ1=kIQ2=8；电机1的给定转速为ω1= 5 0rad/s；运行时间设置为t=10s，在t=5s时通过负载电机3施加反向的转速ω3= 5 rad/s。

图5为电机1和2的转速差曲线，图6为电机1和2的转矩差曲线。可以看出，当系统启动和负载发生变化时，电机的转速差和转矩差在出现一定波动后迅速恢复至0附近，这表示柔性联结的双电机实现了转速同步和转矩同步。

图4 柔性联结双电机控制仿真系统

图5 电机1和2的转速差

图6 电机1和2的转矩差

4 结语

本文根据高校教学与科研实验的需求设计了一种基于dSPACE的刚柔耦合多电机控制实验平台，该平台空间占用小、操作方便、结构简单、成本低廉并且安全性高，能够对刚柔耦合多电机系统进行实时监测、在线修改参数、模块化编程和灵活更改控制算法。该平台有助于学生理解电机控制原理和多电机系统之间的耦合关系，为进一步研究复杂环境下的多电机高精度控制提供了实验条件，可快速验证多电机控制算法，显著提高教学和科研工作效率。