实时仿真技术在运动控制系统中的应用
摘要：实时仿真技术ar以在不需要控制器原型参与的条件下完成控制算法的性能评估，dSPACE系统是实时仿真技术研究的良好应用平台，它提供了真正实时的控制方式以满足不同系统的控制要求。基于MATLAB／simulink建立了速度和电流双闭环的永磁同步电动机直接转矩控制的实时仿真控带4模型。通过dSPACE实时仿真系统以及相应的功率驱动电路，实现了永磁同步电动机的运动控制，获得了满意的控制效果。 0引 言 仿真是借助于计算机和其它相关的硬件设备，通过模型对系统进行研究的方法。实时仿真技术是在考虑实时仿真算法、仿真系统的时序、时间同步以及时间延迟和补偿的基础上对系统进行的动态仿真，它是模型系统在实际条件下实时运行的真实反映。与数字仿真相比，实时仿真的最大优势在于设计的系统能够直接作用于被控对象。由于被控对象直接参与验证过程，立即就能够对所设计系统的有效性进行评估。所以在一般的工业领域，采用实时仿真技术不但能够大大地缩短系统研发周期，还能够有效降低系统研发成本。 在当今的自动化技术中，运动控制系统代表着用途最广而又最复杂的任务。运动控制系统的发展能够实现驱动控制功能的多样化和复杂性，满足不同的生产要求。而伺服控制技术是实现驱动控制功能的基础与关键技术之一。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具有优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽厂系统调速的范围，能够适应高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁电机在工业生产自动化领域中的应用越来越广泛。 本文研究基于dSPACE实时仿真系统的实时仿真技术的相关原理，并通过速度与电流双闭环的永磁同步电动机直接转矩控制实例来阐述实时仿真技术在运动控制系统中的应用原理。 1实时仿真技术分析 应用实时仿真技术设计运动控制系统的方法如图1所示。 根据给定系统的设计指标完成整个运动控制系统的数字仿真。当离线仿真获得满意结果后，将受控对象隔离出来，通过相应的接口模块将控制器连接到实时仿真系统上进行有效性评估试验。 硬件在回路实时仿真技术是将基于不同算法的控制器用等效模型代替，电机、光电编码器等与电机闭环控制相关的物理设备通过相应的硬件接口连接到实时仿真系统模型中，构成实时仿真控制系统。由于仿真系统替代了实际硬件控制系统，试验过程具有多次可重复性。由于控制参数可以在线反复修正，控制器研发的可靠性将大幅提高。 为了实现实时仿真，实时仿真系统的硬件和软件都应具备实时性的特点。采用实时算法保证仿真模型与实际的控制器硬件系统的时间相匹配。对于运动控制系统的硬件在回路仿真而言，首先要求编码器等速度反馈信号以及霍尔元件等电流电压反馈信号能够满足实时性的要求，同时还必须要有能够进行高速运算的工控机。因为接入实物，还必须具备高速的实时接口。针对不同的运动控制系统，实时仿真系统的功能必须能够进行扩展和拆除。软件算法除了要求满足实时性以外，还必须保证一定的工程应用精度。 2实时仿真在运动控制中的应用 运动控制系统是以机械运动的驱动设备(电动机)为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下的电气传动控制系统。运动控制系统主要包含三大部分：电动机、控制器以及功率驱动装置。图2给出了典型控制系统的结构图。 控制器根据给定量与实测量之间的偏差，通过一定的控制算法调节控制量。功率驱动装置将控制量转化为电能作用到电动机，电动机拖动负载进行机械运动。 随着电力电子技术的不断进步，由数字通用变频器构成的恒压频比的开环控制的运动控制系统得到了广泛的应用。但因缺少必要的闭环，开环控制的精度以及可靠性都无法保证。为了实现系统的稳定、可靠和高精度，就需要采用闭环控制的运动控制系统。对于不同的运动控制系统，闭环模式各不相同。可以采用电流环和速度环的双闭环结构，实现速度的精确控制，也可以采用位置环、速度环和电流环的三闭环结构，实现位置的准确跟踪。 要实现运动控制系统的高性能控制，还必须采用先进的控制策略。当前采用的大部分闭环控制策略都是通过矢量控制或直接转矩控制来实现电流向量的幅值和相位控制。 实时仿真技术应用于运动控制系统的设计和开发是近几年才发展起来的。因为它对计算机的运算速度和输入输出能力要求非常高。永磁同步电动机的交流伺服系统采用全数字化结构，控制算法相对复杂，控制方法也较多，这时就需要对控制算法的有效性进行评估。应用实时仿真技术就是一个有效的解决途径。通过对运动控制系统进行实时仿真，可以立即得出控制性能的有效性评估，促进控制方法的改进。 3基于dSPACE系统的硬件在回路实时仿真 dSPACE实时仿真系统足德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB／Simulink的控制系统开发及测试的软件和硬件工作平台。dSPACE系统是硬件在回路实时仿真研究良好的应用平台，它提供了真正实时的控制方式，允许用户实时地调整控制器参数和运行环境，并提供多种参数显示方式，满足不同的需求。 在控制器设计中，不仅支持Simulink模块化的设计方法，针对多输入多输出复杂时变系统还提供基于多种语言的s—function的软件设计方法，功强大，用户可以根据控制器的特点灵活选用。 本文主要研究基于dSPACE系统的硬件在回路实时仿真技术，被控对象为一台三相永磁同步电动机样机。基于dSPACE系统的硬件在回路实时仿真系统的组成如网3所示。 基于dSPACE系统的硬件在同路实时仿真平台包括MATLAB／Sinlulink软件环境、dSPACE实时仿真系统、各种功能接口、外部驱动电路和电机。首先在sirnulink中搭建包括电机在内的直接转矩控制系统模型。通过Simulink数字仿真验证控制算法的正确性。第二步是删除电机等效模型，选择实时接口(RTI)模块，完成实时仿真控制系统建模。通过实时工作组(RTW)进行扩展，将实时仿真模型生成实时代码，并自动编译、连接、下载到实时硬件中。实时硬件与外部驱动电路连接，完成控制功能与反馈信号采集。ControlDesk提供对试验过程的综合管理，在线参数调整，建立用户虚拟仪表以及实时观测控制效果等功能。 整流电路将输入的工频电压转换成直流电压，经过滤波作为逆变器的直流母线电压。通过dSPACE／DS4002PWM3一OUT模块产生的PWM控制信号，经过光电隔离电路作为驱动板中逆变器的控制信号控制电动机运行。 4 dSPACE系统在运动控制系统中的应用举例 本文给出的永磁同步电动机运动控制系统采用速度环和电流环双闭环的直接转矩控制方法，整个运动控制系统框图如图4所示。 速度反馈由增量式光电编码器实现。dSPACE系统的DS3002接口板专门用于增量式编码器信号输入。通过DS3002／POS_B1_Cl模块设置可以得到四倍频的反馈脉冲信号。DS3002／POS_BI_C1模块有两个输出：一个是以脉冲数表示的转子位置信号：另一个是以转子位置差表示的速度信号。由于转子的初始位置可能是任意点，所以必须对转子零位进行校准。通过DS3002／INDEX_BI_CI零位信号检测模块和DS3002／POS_B1_C1位置信号测量 模块可以实现永磁同步电动机转子初始位置校准和速度反馈。转子初始位置信号校准子系统如图5所示。 转子速度测量子系统如图6所示。通常实时仿真的时间步长可以在实时仿真系统硬件条件允许下取任意小。采样时间则根据系统要求的精度，人为设置，最小为实时仿真的时间步长。由于采样时间和实时仿真的时间步长不等长，实际的转子速度是一段时间内转子的平均速度。 霍尔传感器采集到的电流信号经过信号调理电路将输入的模拟信号转化为±10 V的模拟电压信号输入DS2201／ADC_B1，实现A／D转换。 为了对运动控制系统的性能进行评估，可以利用Controldesk建立用户虚拟仪表对控制参数进行实时检测，如图7所示。图7中分别对三相永磁同步电动机运动控制系统的速度、速度差、转矩信号、转矩差、磁链信号和编码器位置信号进行了实时观测。为了保证得到圆形磁链，还对磁链信号进行了实时捕获。图7中给出的是永磁同步电动机给定转速为150 r／min时的实时检测和捕获情况。 捕获后的磁链信号可以保存为二进制位文件，通过在MATLAB命令窗口导人该文件，就可以直接对一定时间段内实时采集到的磁链信号进行离线数据分析或绘图。 控制器参数的设定对控制器性能的影响至关重要。Controldesk支持两种参数在线调节方式。对于少量参数的调节，可以通过使用不同仪表在线修改模型的参数；对于多参数的调节，Controldesk通过参数编辑器（Parameterditor)完成多参数值的在线修改，并可以通过dSPACE实时平台读取以及保存修改过的参数。 图8给出了当永磁同步电动机的转速为200r／min时且空载情况下的速度和电流信号。 从图8给出的试验波形可以看出，采用速度和电流双闭环的永磁同步电动机直接转矩控制系统速度平稳，电流波动不大，能够满足运动控制系统设计的要求。
5结语 运动控制系统是一门综合多学科应用技术的复杂控制系统。要取得预期的运动效果，就必须对能量传输性能特别好的伺服电动机进行控制。永磁同步电动机交流伺服系统凭借其优越的性能广泛应用于工业生产自动化领域中。 永磁同步电动机伺服系统的控制算法相对复杂，而且控制方法也较多。这时就需要对控制算法的有效性进行评估。借助于实时仿真技术，在不需要控制器硬件系统参与的条件下，就能够完成对控制算法有效性的验证。这样不仅能够节约研发成系统的设计方法。实时仿真试验结果表明，本文给出的运动控制系统的设计方法是可行的。dSPACE 实时仿真系统为新型运动控制系统的研发提供了良好的试验平台。
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