基于dSPACE的伺服控制模型實(shí)時(shí)仿真研究
陳鵬展，唐小琦，李銀剛
（華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）
摘要：利用dSPACE組件系統(tǒng)構(gòu)建了伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺，以伺服控制中電流環(huán)解耦、速度環(huán)參數(shù)自整定和位置環(huán)前饋控制等問題為研究對象，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法和仿真模型，利用已構(gòu)建仿真平臺的軟硬件環(huán)境，進(jìn)行了控制模型的實(shí)時(shí)仿真研究，得到了滿意的伺服控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。
關(guān)鍵詞：伺服控制；dSPACE:實(shí)時(shí)仿真；控制模型
中圖分類號：TM383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004 -70IS(2008) 09 -0025 -03
0引 言
伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般經(jīng)歷從離線仿真到控制器實(shí)物原型驗(yàn)證的開發(fā)流程，隨著各種伺服控制策略不斷涌現(xiàn)，這種開發(fā)流程已不能滿足快速算法驗(yàn)證和控制器原型極限性能測試等應(yīng)用需要，必須采用新的技術(shù)手段。
實(shí)時(shí)仿真已逐漸成為各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工具，實(shí)時(shí)仿真是指有實(shí)物介入仿真回路，仿真模型的時(shí)間標(biāo)尺與真實(shí)系統(tǒng)的時(shí)間標(biāo)尺完全相同的仿真【1】。由于實(shí)時(shí)仿真在仿真回路中介入了難以建立精確數(shù)學(xué)模型的部分實(shí)物，提高了仿真結(jié)果的置信度，并且實(shí)時(shí)仍真能夠?qū)刂扑惴ɑ蛳到y(tǒng)模型在運(yùn)行過程中的具體狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，為深入了解系統(tǒng)的性能提供了有效途徑。
利用實(shí)時(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行伺服系統(tǒng)開發(fā)，不僅可以快速對控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)消除設(shè)計(jì)缺陷，縮短研發(fā)周期，而且可以對控制原型進(jìn)行極限測試，全面考察控制器開發(fā)質(zhì)量以及控制算法可靠程度。本文針對伺服系統(tǒng)的研制開發(fā)需要，構(gòu)建了伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺，并在構(gòu)建的平臺中對伺服系統(tǒng)控制
1實(shí)時(shí)仿真平臺構(gòu)建
dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試用的工作平臺，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink環(huán)境的完全無縫連接衛(wèi)。在-VIATLAB/dSPACE仿真環(huán)境中，可以方便地進(jìn)行各種控制算法設(shè)計(jì)、代碼自動生成和程序下載運(yùn)行，縮短了從模型設(shè)計(jì)到仿真驗(yàn)證的過渡時(shí)間；不僅如此，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)還提供了多種穩(wěn)定可靠的硬件接口卡，可以將各種控制相關(guān)對象接入仿真平臺構(gòu)成了完整的控制回路，使得到的驗(yàn)證結(jié)果具有與實(shí)際運(yùn)行情況等同的置信度；因此，dSPACE仿真系統(tǒng)能夠較好地滿足伺服系統(tǒng)控制模型對實(shí)時(shí)仿真平臺的功能需求。本文根據(jù)伺服控制過程信號接口要求，逸用了以DS1005處理器板為核心，選配了DS2002、DS2103、DS3001及DS4201等擴(kuò)展接口卡的dSPACE組件系統(tǒng)以及伺服電動機(jī)和功率驅(qū)動模塊共同構(gòu)建了伺服控制模型實(shí)時(shí)仿真平臺，仿真平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 在圖l中，通過dSPACE組件系統(tǒng)中的各種硬件接口卡，伺服控制相關(guān)的輸入輸出信號被接入實(shí)時(shí)仿真平臺，dSPACE組件系統(tǒng)、伺服電機(jī)和功率驅(qū)動構(gòu)成了一個獨(dú)立完整的伺服控制回路。為了完成伺服控制過程實(shí)旋，必須構(gòu)造能夠進(jìn)行硬件操作的接口仿真模型，通過模型來對各種接口信號進(jìn)行處理，得到或輸出相應(yīng)的信號量。伺服系統(tǒng)控制中需要的接口處理模型一般有以下幾個部分：轉(zhuǎn)子位置檢測模型、定子電流檢測模型、電壓空間矢量產(chǎn)生模型和速度檢測模型。根據(jù)上述接口處理模型的功能需求，本文利用dSPACE提供的板卡應(yīng)用函數(shù)設(shè)計(jì)了對應(yīng)的接口仿真模型庫，如圖2所示，通過調(diào)用對應(yīng)的接口模型可以實(shí)現(xiàn)控制算法所需的接口信號操作和處理過程。
2控制模型實(shí)時(shí)仿真
基于dSPACE的實(shí)時(shí)仿真過程一般包含以下幾個步驟：
(1)分析控制過程及被控對象的特征，設(shè)計(jì)控制方案，建立仿真模型；
(2)根據(jù)建模結(jié)果，利用實(shí)時(shí)工作間將其生成實(shí)時(shí)代碼并自動下載到dSPACE組件系統(tǒng)中；
(3)用dSPACE提供的綜合試驗(yàn)與測試環(huán)境軟件Control Desk和自動實(shí)驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整軟件MLIB/MTRACE軟件對實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、聯(lián)機(jī)改變參數(shù)并進(jìn)行仿真，進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化。按照上述步驟，本文實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)中幾種控制模型的實(shí)時(shí)仿真。
2.1電流環(huán)反饋解耦實(shí)時(shí)傷真
三相交流永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程為【3】
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