（电机与电器专业论文）基于dspace半实物仿真的电机测试平台研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c h e r sh o p et oa p p l yac o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi sd e v e l o p e db yu s i n g d e s i g ns o f t w a r ei n t op r a c t i c ei nar a p i da n dc o n v e n i e n tw a yw h e nr e s e a r c h i n gi n c o n t r o le n g i n e e r i n g m o r e o v e r , t h e yh o p et or e v i s ea n da p p l ya r la l g o r i t h mr e p e a t e d r a p i d l ys ot h a tt h e yc a na p p l yab e s tc o n t r o lw a yi nac o n t r o la p p l i c a t i o n i ti s s i g n i f i c a n tt od e v e l o par e a l t i m et e s t i n gp l a t f o r i l l d s p a c er e a l t i m es i r e u l a t i o ns y s t e mi sa l le x c e l l e n tp l a t f o r mf o rd e v e l o p m e n t a n dt e s td e v e l o p e db vd s p a c ec o r p o r a t i o nb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h i ss y s t e mc a r lr e a l i z eap e r f e c tl i n kw i t l lm 蜘，a b s i m u l i n ks o f t w a r e d s p a c e r e a l t i m es i r e u l a t i o ns y s t e mo w n sah a r d w a r es y s t e mw i t hh i g hs p e e dc a l c u l a t i o n c a p a c i t y , h v t h e r m o r e ，i ti n c l u d e sh i g h s p e e dp r o c e s s o r , i n p u t o u t p u t ，c o n v e n i e n t c o d eg e n e r a t o r d o w n l o a d i n ga n de x p e r i m e n t d e b u g g i n gs o f t w a r ee n v i r o n m e n t i t s s og o o dt ov e r i f yac o n t r 0 1a l g o r i t h mi nar e a l t i m ee n v i r o n m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，at e s t i n gp l a t f o i t nf o rm o t o rc o n t r o li sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e db a s e do nd s p a c er e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e m a n de x p e r i m e n tw i t ha n _ 8 6p o l e sd o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m o t o ri sr e a l i z e d t h et e s t i n g p l a t f o r mi n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i r s t l y , t h eh a r d w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nt h eh a r d w a r er e s o u r c eo fd s p a c e r e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e m i ti n c l u d e si n t e r f a c ec i r c u i t r y , p o w e rs u p p l yc i r c u i t r y , c u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i t r y , r o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t r y , p w ms i g n a lg e n e r a t i o n c i r c u i t r y , d r i v ec i r c u i t ya n dp r o t e c t i o nc i r c u i t y s e c o n d l y , as p e e dc o n t r o lm o d e lf o ra n8 6p o l e sd s p mm o t o ri sb u i l to nt h e b a s eo fm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e a n do f f i i n es i m u l a t i o ni sr e a l i z e df o rt h i s c o n t r 0 1m o d e lt h ec o n t r o lm o d e li n c l u d e sp w m o u t p u tm o d u l e p ic o n t r o lm o d u l e ， m o t o rm o d u l e ，c u r r e n tc h o p p i n gm o d u l e ，m e c h a n i c a ls u b s y s t e mm o d u l ea n ds i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l eo fr o t o rp o s i t i o nm o r e o v e r , r t im o d e li sa d d e di nd s p a c e s o f t w a r ec i r c u m s t a n c e t l l i sr t im o d e li n c l u d e sp ic o n t r o lm o d u l e o n a n g l ea n d o f f - a n g l ec o n t r o lf o re a c hp h a s eo fm o t o rs t a t o r , p w ms i g n a lg e n e r a t i o n r e f e r e n c e c u r r e n tg e n e r a t i o n ，s t a r t i n gc o n t r o l ，b a n g b a n gc o n t r o l ，m o r e o v e r , v i s u a lm e t e r s i n t e r f a c e 。i sb u i l ti nc o n t r o l d e s ke n v i r o n m e n t a t1 a s td e b u g g i n ga n de x p e r i m e n ta r ef u l f i l l e db a s e do nc o n t r o l d e s ke n v i r o n m e n t f o ra n8 6 p o l e sd s p m t h ee x p e r i m e n tt e s t i f i e st h a tt h e d s p a c er e a l t i m e s i m u l a t i o ns y s t e mi sc o n v e n i e n ta n de f f e c t i v et om a k eac o n t r o la l g o r i t h mi n t o p r a c t i c e ，t h i so f f e r sag o o dp l a t f o r mf o rr e s e a r c h i n go no t h e rm o t o rc o n t r o ls y s t e m s b yu s i n gd s p a c e r e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d s p a c e ，d s p m ，t e s t i n gp l a t f o r m ，p ic o n t r o l ，b a n g b a n gc o n t r o l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：耸日期：三鲤鱼生垡_ 担皿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：勉导师签 ， 膨日期：2 0 0 6 年5 肋日 第一章绪论 1 1 课题研究背景“2 川 第一章绪论 研究者在进行控制算法研究时，需要一个方便而又快捷方法对其进行验证。基于实时的 硬件平台，实现用m a t l a b s i m u l i n k 开发的控制算法，并且对控制算法实时在线调试，可以 很快地进行反复设计，反复试验直到找到理想的控制方案。因此，开发一个实时硬件测试平 台，具有重要意义。 对一些大型的科研应用项目，如果完全遵循过去的开发过程，由于开发过程中会有软件 的更改、控制器存在缺陷、硬件环境的不可靠等不明因素的存在，使得项目周期长、费用高， 甚至还可能导致项目的失败。因此，在开发的初期阶段就引入各种试验手段，并有可靠性高 的实时软硬件环境做支持，有助于科研的研究，达到事半功倍的效果。 另外，当产品型控制器生产出来后，由于控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象 很难得到，这就需要找到合适的方法能在早期对立地完成对控制器进行测试。 这些问题概括为两种：快速控制原型( r c p ) 和硬件在回路仿真( h i l s ) 。d s p a c e 提供 了这两方面应用的统一平台。这两方面应用的区别仅仅是：在r c p 中，d s p a c e 的仿真对象 是控制器，实现了控制器的功能；而在h i l s 中，d s p a c e 的仿真对象是设备或环境，实现了 某一设备或外环境的功能。 d s p a c e 实时仿真系统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统 开发及测试的工作平台，实现了和姒t l a b s i m u l i n k 的完全无缝连接。d s p a c e 实时系统拥 有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、i o 等，还拥有方便易用的实现代码生成 下载和试验调试的软件环境。这样，在d s p a c e 强大能力的支持下，就可以很好地解决实时 硬件测试的问题： ( 1 ) 在控制系统开发的初期，把d s p a c e 实时系统作为控制算法及控制逻辑代码的硬件运行 环境。通过d s p a c e 提供的各 i o 板，在原型控制算法和控制对象之间搭建起座实 时的桥梁：让控制工程师将全部精力放在控制算法的研究和试验上，从而开发出最适 台控制对象或环境的控制方案。 ( 2 ) 当产品型控制器制造完以后，还可以用d s p a c e 实时仿真系统来仿真控制对象或外环境， 从而允许对产品型控制器进行全面、详细地的测试，甚至连极限条件下的应用也可以 进行反复测试。在d s p a c e 试验工具软件的帮助下，测试工程师不用再象过去那样用一 大堆的信号监测仪器费力地监测各种试验信号，而只需在计算机屏幕上随时观看测试 工具软件记录下的各种信号和曲线即可。从而大大节约测试费用，缩短测试周期，增 加测试的安全性及可靠性。 正是由于d s p a c e 的无可比拟的优越性，使得d s p a c e 从诞生之日起就引起了众多工程技 术人员及专家学者的注意。目前，d s p a c e 已广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机 车、机器人、驱动及工业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开始用d s p a c e 来解 决在实际工作及研究中碰到的问题。由于他们的努力，d s p a c e 的应用领域正在日益拓宽。 第1 页 东南大学硕士学位论文 许多汽车界的用户都把d s p a c e 作为可以信赖的开发测试工具，如；a u d i 公司用d s p a c e 实现 了a b s 控制器测试台；德国的铁路运输巨头a d t r a n z 则用d s p a c e 实现了电力机车的仿真； 美国的b o e i n g ，c a l s p a n 公司用d s p a c e 进行飞行器的控制系统设计和仿真；还有一些研究部 门如荷兰的d e l f t 工业大学、日本的w a s e d a 大学等用d s p a c e 进行机器人控制算法的研究； 而且，由于d s p a c e 的高度可靠性，许多工业用户用d s p a c e 实现工业过程控制，女n a c h e n b a c h b u s c h u t t e n 公司就依赖d s p a c e 的高可靠性来控制型材的平面度；丹麦的g r u n d f o s 还用 d s p a c e 来验证专用集成电路的设计可行性。 在国内高校中，d s p a c e 也得到了广泛应用，比如： 清华大学电机工程与应用电子技术系的卢子广“”，利用d s p a c e 的单板系统d s l l 0 3 进 行了电力驱动系统实时控制虚拟实验平台的研究，采用m a t a l b s i m u l i n k 建立了控制器、逆 变器一电机一传感器模型，再与d s p a c e 系统的i o 硬件模型建立实时仿真系统。实时仿真系 统具有与实际系统的硬件接口，可以与实际控制器或实际的逆变器电机系统直接相连，构成 硬件在回路仿真测试或快速控制原型系统。该实时仿真系统采用了异步电机、永磁无刷电机 等不同电机，其方法已成功地应用于某混合电动汽车的电力驱动系统测试。 东南大学自控系的戴先中教授，利用d s p a c e 的单板系统d s l l 0 3 对感应电机进行变频调 速。在已有的功率模块、位置和电流传感器和电机等外围设备的基础上，通过快速控制原型， 也就是在m a t a l b s i m u l i n k 中不断调试算法，实现代码的生成和下载。首先用恒压频比控制 验证了实验平台的可靠性和安全性，然后对感应电机的矢量控制方法做了实验研究，实验证 明d s p a c e 可以快速验证控制算法。 总而言之，d s p a c e 使得控制系统的开发、产品型控制器的仿真测试变得更加方便易行， 大大加快了新产品的研制速度，也使技术研究人员对控制算法及仿真测试方案的研究进入更 高的境界。 1 2 双凸极永磁电机发展 随着电子技术、电力电子技术的发展，新型永磁材料的出现，现代控制理论的应用， 双凸极电机得到了迅速发展。该类电机包括开关磁阻电机、双凸极永磁电机( d o u b l ys a l i e n t p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , 简称d s p m ) 、电励磁双凸极电机和近来人们提出的混合励磁双凸 极电机。 开关磁阻电机是于2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种新型电机。它最早是作为电动汽 车驱动用电机，由英国l e e d s 大学和n o t t i n g h a m 大学于1 9 7 5 年研制而成的 s l 。开关磁阻电 机的结构非常简单，定、转子都是凸极齿槽结构，其转子上无任何绕组，因此转子上没有 铜耗，且转子结构非常坚固，所以特剐适合高速运行，其定子上只有集中绕组，制造工艺 简单。因此，开关磁阻电机凭借其结构简单、工作可靠、制造成本低廉等诸多优点，形成 与其它电动机竞争的潜在优势，在许多场合得到广泛应用。图1 - 1 为开关磁阻电机的基本结 构。 第2 页 第一章绪论 图1 1 开关磁阻电机基本结构图 上世纪9 0 年代，著名电机专家工a l i p o 等人在对开关磁阻电机深入研究的基础上， 提出在开关磁阻电机定子上( 或转子上) 增加一套简单的励磁装置，如永磁体p j 。改进后 的电机在结构上与原开关磁阻电机类似，仍呈双凸极结构，故称为永磁式双凸极电机。由 于附加了永磁磁场，永磁式双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩控制特性和系统控制 规律等方面与开关磁阻电机比较有较大的区别；在控制上，与无刷直流电机相近，其性能 上与直流电机调速系统相近。 电励磁双凸极电机是在d s p m 电机基础上将励磁绕组取代永久磁体，形成的另一种新 型电机【l ，这种电机可作为发电机运行，也可作为电动机用。电励磁双凸极电机调节励磁 绕组电流，可实现调压；断开励磁电路可灭磁，可实现电机系统故障保护。 d s p m 电机在高速运行时，将产生过高的永磁感应电势，因此为了维持恒定的功率输 出，获得更宽广的调速范围，应设法减小气隙中的磁场。1 9 9 5 年t a l i p o 等人在d s p m 电 机内加入了励磁绕组，提出了混合励磁双凸极电机( h y b r i de x c i t a t i o nd o u b l ys a l i e n t m a c h i n e ，简称f l e d s m ) ，形成了又一种新型交流调速系统i l “j 。 双凸极电机由于其电机结构相似，调速系统一般由电机本体、控制器、功率变化器、 位置传感器、电流传感器等部分组成，控制策略般采用低速时斩波、高速时角度位置控 制方式，这样可以在一个通用的平台对电机性能进行测试，获得电机调速的最佳参数。 1 3 本文研究的目的 近年来，本人所在的课题组在双凸极电机设计方面有进一步发展，设计了专用于发电 的换向磁通双凸极永磁电机f r m ( f l u xr e v e r s em a c h i n e ) ，电励磁电机和混合励磁电机， 需要对各电机性能和运行状况进行比较，因此，开发一个通用的电机测试平台具有重要意 义。 传统的电机调速系统的控制器是单片机或者d s p 芯片，它们可以对电机进行灵活控 制。但是在这样的平台上，研发人员需要花费很大的精力在汇编语言或者c 语言的学习和 调试上，另外复杂的算法实现比较困难。为此，课题组选择d s p a c e 实时仿真系统作为电 机控制算法的试验平台。d s p a c e 实时仿真系统是机电控制系统实时仿真平台，它基于 第3 页 东南大学硕士学位论文 m a t l a b s i m u l i n k 并且与m a t l a b s i m u l i n k 无缝连接。d s p a c e 实时仿真系统拥有高速 计算能力的硬件系统，包括处理器、i o 等，还拥有方便易用的实现代码生成、下载和试 验、调试的软件环境”。以d s p a c e 实时仿真系统的控制板为核心，再设计外围接口电路 及功率驱动电路和传感器电路，就能快速构建一个通用电机测试平台，利用其与 m a t a l b s i m u l i n k 无缝连接的巨大优势，快捷地实现对电机不同算法的验证，同时也可以 实现对电机性能的测试。 在研究电机调速控制时，采用d s p a c e 虚拟实验平台与电机调速系统的实时硬件接口方 式，构成快速控制原型系统，对系统控制策略、算法等进行研究和测试，可大大缩短产品 的开发周期，降低开发费用和技术风险。 m a t a l b s i m u l i n k 仿真软件在工程领域的应用非常广泛，在电机控制领域，常常利用 该软件实现电机模型构建，控制算法仿真分析，实现算法的理论研究。在此，充分利用 d s p a c e 半实物仿真平台与m a t a l b s i m u l i n k 软件的无缝接口独特优势，实现系统控制模 型与实物接口试验，从而实现算法的从理论研究与实际控制的快速结合。本论文将以一8 6 极d s p m 电机调速系统控制为例，研究探索基于d s p a c e 平台半实物仿真的电机测试平台的 应用。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究基于d s p a c e 半实物仿真的电机测试平台的建立，针对已有的8 6 极d s p m 电机进行调速控制，进行m a t a l b s i m u l f i a k 离线仿真，再结合d s p a c e 半实物仿真平台既 有的硬件资源，适当扩充外围电路，实现基于d s p a c e 的8 6 极d s p m 电机调速控制，且 在此实验平台上对8 6 极的d s p m 电机各种运行状况进行实验分析。具体研究内容如下： 1 分析d s p m 电机的工作原理、建立电机数学模型及设计电机的控制策略。 2 利用m a t a l b s i m u l i n k 软件构建8 6 极d s p m 电机数学模型和控制模型，对各模 块进行仿真和离线调试，实现电机的开环和闭环调速控制。 3 设计并制作基于d s p a c e 的8 6 极d s p m 电机调速系统的外围硬件电路。 硬件设计包括主回路和控制回路以及电源三部分，在主回路中将采用分裂电 容，以及集成度较高的功率元件i p m ；控制回路包括位置传感器电路、电流反馈 电路、绝对值电路、电流比较电路、p w m 产生及互锁电路、保护电路、d a 转换 电路等。 4 设计并制作基于d s p a c e 的8 6 极d s p m 电机调速控制系统。 以d s p a c e 中的r t i 模块代替离线仿真中的接口和逻辑信号，利用 m a t a l b s i m u l i n k 与d s p a c e 无缝连接的特性，基于d s p a c e 平台研究8 6 极 d s p m 在低速时运行性能。 5 通过实验，验证d s p a c e 实时仿真平台的可行性，分析实验结果。 第4 页 第二章d s p a c e 仿真平台介绍 第二章d s p a c e 仿真平台介绍 2 1d s p a c e 实时仿真系统介绍1 3 d s p a c e 实时仿真系统是由德国d s p a c e 公司研制，该系统非常适合高性能复杂算法的 检验，它具有运算速度快，使用方便和界面友好等优点，已被越来越多地应用到汽车、机械、 电力电子等产品的研究开发中。d s p a c e 实时仿真系统功能强大，它既可以和实际控制对象 相连( 称为快速控制原型) ，这时它起控制器的作用：也可以和实际控制器相连( 称为硬件在回 路仿真) ，这时它起被控对象的作用。 d s p a c e 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比拟的优点： ( 1 ) 组合性强：d s p a c e 在设计时就考虑了大多数用户的需求，设计了标准组件系统，可 以对系统进行多种组合。对不同用户而言，可以在运算速度不同的多种处理器( 如：n 公司 的t m s 系列、d e c 公司的a l p h a 系列、m o t o r a l a 公司的p o w e r p c 系列) 之间进行选择，最快的 处理器浮点运算速度高达1 0 0 0 m f l o p s ；i 0 也具有广泛的可选性，通过选择不同的i o 配 置，即可组成不同的应用系统： ( 2 ) 过渡性好，易于掌握和使用：由于d s p a e e 与m a t l a b 的无缝连接，使广大m a t l a b 用 户可以轻松地掌握d s p a c e 的使用，从而方便地从非实时分析、设计过渡到实时的分析、设计； ( 3 ) 对产品型实时控制器的支持性强：针对用户最终需要将仿真代码转换到产品型控制 器的需求，d s p a c e 提供了从仿真代码到产品型控制器代码的生成工具，还提供产品型控制 器与d s p a c e 实时系统的硬件接口，从而允许将d s p a c e 实时系统纳入闭环测试中，这样， 就可以在d s p a c e 实时系统的帮助下，顺利完成原型设计到产品的转换。 ( 4 ) 快速性好：由于d s p a c e 与m a t l a b 的无缝连接，使用户在几分钟之内就可以完成 模型参数的修改、代码的生成及下载等工作，从而可以在短期内完成对原型的反复更改 和试验，尽快推出产品，完全避免了过去的那种因为局部改动就要多花费几周甚至几个月的 时间进行代码的修改和重新测试。大大节省了时间和费用； ( 5 ) 性能价格比高：对用户而言，d s p a c e 更象是种平台，这就意味着用户用d s p a c e 完成一种产品的设计和测试后，还可以用d s p a c e 进行其它毅品的开发或实时仿真测试。 ( 6 ) 基于p c 机，w i n d 0 w s 操作系统； ( 7 ) 实时性好：一旦代码下载到实时系统，代码本身将是独立运行的，试验工具软件只 是通过内存映射访问试验过程中的各种参数及结果变量，不会产生对试验过程的中断； ( 8 ) 可靠性高。 系统由硬件系统和软件及开发系统两大部分组成，它的硬件部分又有标准组件和单板系 统两种类型，根据本课题研究的实际情况，选择单板系统d s l l 0 4 控制板。论文将分别介绍 d s p a c e 硬件d s l l 0 4 p p c 控制器板及开发软件。 2 2d s p a c e 控制系统开发软件n 3 1 第5 页 东南大学硕士学位论文 使用d s p a c e 对控制系统进行控制系统的算法研究，需用到它所提供的一套计算机辅助控 制系统设计工具组，其开发过程依次为建立模型、离线仿真、设置实时i o 、生成代码、编 译及下载、试验等，主要基于以下软件： ( 1 )m a t h w o r k s 公司的m a t l a b ，用来对模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理； ( 2 ) m a t h w o r k s 公司的s i m u l i n k ，用来进行方框图的控制系统离线仿真； ( 3 ) m a t h w o r k s 公司的r e a l t i m ew o r k s h o p ( r t w ) ，用来从方框图生成可执行的c 代码； ( 4 ) d s p a c e 公司的r e a l t i m ei n t e r f a c e ( r t i ) ，用来使代码可以在处理器目标系统中运行； ( 5 ) d s p a c e 公司的c o n t r o l d e s k ，用来对闭环实验进行交互操作( 自动手动) ，例如在线 调整参数，数据显示及记录等。 其中m a t l a b 使用率较高，在此不再介绍。 2 2 1s i m u l i n k 介绍“ s i m u l i n k 是一个动态系统建模、仿真和分析的软件包，基于r a t l a b 的框图设计环境，支 持连续系统，离散系统和混杂系统。利用d s p a c er t i 建立实时应用程序，需要在s i m u l a t i o n p a r a m e t e r s 对话框中定义表2 一l 所示的设置值。 表2 1d s p a c e 实时仿真所需要的设置项以及可选值 选项卡设置选项数值 s i m u l a t i o nt i m e s o 卜，e rs t a r to o 圩i n f s o l v e ro p t i o n s t y p e o d e l m o d e s i n g l e t a s k i n g f i xs t e ds i z e 期望的仿真步长 b l o c kr e d u c t i o no f r a d v a n c e d s i g n a ls t o r a g er e u s e 0 疗 2 2 2r e a l ti m ew o r k s h o p ( r t w ) 软件 r t w 是g i a t a l b 图形建模和s i m u l i n k 仿真环境的一个重要的补充功能模块，简而言之，它 是一个基于s i m u l i n k 的代码自动生成环境。它能直接从s i m u l i n k 的模型中产生优化的、可移 植的和个性化的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序。在d s p a c e 实时仿真系统 中，用r t w 来从方框图生成可执行的c 代码。 2 2 3 代码生成和下载软件r t i 。1 r t i 是连接d s p a c e 实时系统与m a t a l b s i m u l i n k 的纽带。r t i 对s i m u l i n k 库进行了 扩展，利用这些框图不需要另外写任何代码，就能完成包括i o 接口及初始化过程的设置； 同时对r t w 进行扩展，可实现从s i m u l i n k 模型到d s p a c e 实时硬件代码的自动下载。r t i 第6 页 第二章d s p a c e 仿真平台介绍 与r t w 联合生成d s p a c e 硬件所需要的代码，实现了m a t l a b s i m u l i n k 到d s p a c e 的无 缝连接。 r t i 的使用方法就是用图形方式从d s p a c e 的r t i 库中选定相应的i o 模型，将其拖放到用 s i m u l i n k 搭建的系统模型方框图中，并指定i o 参数以完成对它的选定。选定后，只要鼠标 点一下r t w 对话框中的“b u i l d ”命令，r t i 就会自动编译、下载并启动实时模型。另外，r t i 还根据信号和参数产生一个变量文件，可以用来进行变量的访问。 r 0 1 2 2 4 综合实验与测试环境( 软件) c o n t r o l d e s k ”。 当用户使用d s p a c e 的r t i 软件完成建模并用r t w 产生可执行目标代码及系统描述文件 ( s d f ) 后，就可以将实时代码的下载、信号监视及参数调整任务交由c o n t r o l d e s k 软件来完 成。c o n t r o l d e s k 软件提供了如下功能： ( 1 ) 对实时硬件的图形化管理 c o n t r o l d e s k 可以方便对硬件进行注册和管理，并利用w i n d o w s 拖放方式方便的完成目标 程序的下载，用s t a r t 和s t o p 来控制实时程序的启动和停止。 ( 2 ) 用户虚拟仪表的建立 用户可以从仪表库中采用拖放方式建立所需的虚拟仪表，通过建立的虚拟仪表与实时程 序进行动态数据交换、跟踪实时曲线、完成在线修改参数，并能记录实时数据，实现实时数 据回放等。 ( 3 ) 变量的可视化管理 c o n t r o i d e s k 可以以图形方式访问r t i 生成的变量文件( p a r ) ，通过拖放操作在变量 和虚拟仪表之间建立联系，除了访问一般变量外，还可以访问诸如采样时间、中断优先级、 程序执行时间的等其他与实时操作相关的变量。 2 3 基于d s p a c e 的控制系统开发步骤“1 对于用户而言，基于d s p a c e 的控制系统开发步骤包括以下几点： ( 1 ) d a t l a b s i m u l i n k 模型建立及离线仿真。利用m a t l a b s i m u l i n k 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。 ( 2 ) 输入输出口( i o ) 的接入。在m a t l a b s i m u l i n k 中保留需要下载到d s p a c e 中的模 块，从r t i 库中拖放实时测试所需的i 0 ，替换原来的逻辑连接关系，并对i 0 参数进行配置。 ( 3 ) r t wb u i l d 。由于m a t l a b 与d s p a c e 的无缝连接，完成目标系统的实时c 代码的生成、 编译连接和下载，将模型下载为实时仿真机上可运行的程序。 ( 4 ) d s p a c e 综合实验和调试。利用d s p a c e 提供的c o n t r o l d e s k 对实时仿真数据进行获取、 联机改变参数并进行仿真。 图2 1 所示是基于d s p a c e 平台控制系统建立流程。 第7 页 东南大学硕士学位论文 图2 1 基于d s p a c e 平台控制系统建立流程图 2 4d s l l 0 4 控制板结构“1 d s l l 0 4 拥有高分辨率、高速8 路a d d 8 路d a ，2 0 路高速数字i o ，并集成了电机驱动专 用d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，满足电机控制一般硬件要求。将d s i1 0 4 控制卡插入p c 机主板的p c i 插槽，再将接口电缆连接控制卡与d s p a c e 仿真系统硬件操作面板，使用者将操作面板上的相 应接口连接到实际电路中，构成在线实时仿真。所有的实时计算都由d s l l 0 4 执行，而d s p a c e 的试验工具软件则在p c 主机中运行。d s p a c e 单板系统d s l l 0 4 控制板和控制面板实物图，见2 2 控制板结构如图2 3 所示。 图2 - 2d s l l 0 4 控制板( 左) 和控制面板( 右) 实物图 第8 页 第二章d s p a c e 仿真平台介绍 图2 - 3d s l l 0 4 结构框图 d s l l 0 4 控制板包括以下几个部分： 1 主处理器( p o w e r p c ) 单元 它代表着控制器板的计算能力，支持几十个i 0 单元；它是d s l l 0 4 的主要控制单元，主 处理器所属的单元有： ( i ) 微处理器p o w e r p c 6 0 4 e ，它的主频是2 5 0 m h z ( c p u ) ，它还分别包括3 2 k b 的数据和指 令缓存，控制算法在此处理器实现；一个中断控制器；几个定时器及用于和主机连接的 i s a 总线插槽。主处理器控讳u d s l l 0 4 板的a d c 单元、d a c 单元、位i o 单元、增量编码器接 口和串行接口。 ( 2 ) 从属于主处理器单元的a d c 单元：包括两种类型的a d c ，一种是4 路1 6 位通道a d c ，采 样时间是2 微秒，a d c 的输入电压是1 0 v 。另一种是4 路1 2 位通道a d c ，采样时间是8 0 0 n s ， a d c 的输入电压是i o v 。 ( 3 ) 从属于主处理器的d a c 单元：是8 路1 4 位通道，典型建立时间1 0 微秒，输出电压范 围是1 0 v 。 ( 4 ) 从属于主处理器的2 0 位i o 口，输入输出电压是r r l 电平( 5 v ) 。 ( 5 ) 从属于主处理器的增量编码器接口单元有两类，一类负责1 5 通道，另一类负责6 - 7 通道，1 - 6 通道是数字的支持单极t t l 电平和各类r s 4 2 2 信号，7 通道是模拟的，通道1 - 5 使用2 4 位位置计数器，通道6 、7 的线计数相互影响，因为它们属于同一接口。晟大输入频 率是1 6 5 m h z ，其4 倍频能达6 6 m h z 。 2 从d s p 子系统 第9 页 东南大学硕士学位论文 它支持更多的i o 单元；d s l l 0 4 的d s p 从处理器子系统采用的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 ( 2 0 m h z ) 它带 有6 4 k w 的程序存储器和2 8 k w 数据存储器及与主处理器通讯的4 k w h 叹端口存储器。d s p 从处理器单 元包括自己的i o 、定时器( 用于产生和测量p w m 或方波信号) 等单元和串行外围接口( s p i ) 及串行通讯接口( s c i ) 。 ( 1 ) 从d s pi o 口：1 9 个通道，每个通道可独立操作，最大输出电流1 3 m a ，输入输出电 压为t t l 电平： ( 2 ) 从d s p 定时i o 单元： 1 ) 单相p w m ：可产生4 路占空比、频率可变的对称或( 非对称) 的p w m ，对称的p w m 信号 周期在2 0 0 n s 一8 1 9 2 m s 范围内选择：非对称p w m 信号周期在l o o n s 一4 0 9 6 m s 范围选择。对于 每路p w m ，可以独立的指定高电平有效或低电平有效； 2 ) 三相p w m ( p w m 3 ) ：频率范围1 2 5 h z 一5 m h z ： 3 ) 三相空间矢量p w m ( p w i s v ) ：频率范围1 2 5 h z 一5 m h z ： 3 中断控制器 d s l l 0 4 支持各类中断类型，作为通信或者保护信号使用，表2 2 列举了d s p a c e 的中断源。 表2 2d s p a c e 中断源 中断类型 中断描述 编码器指示通道指示中断，上升沿触发 主机中断 来自主机( p c 机) 用户中断( 卜4 ) 来自外部设备，下降沿触发 定时器中断定时器是一l 引起中断 主处理器p p cu a r t 中断 串行接口中断 从d s p 中断从d s p 对主处理器p p c 的中断 从d s p 的p w m 中断 p w m 的同步中断 4 定时器单元 d s l l 0 4 提供了4 种定时器，各有分工。定时器a 是默认的定时器，设置基本定步长，表2 3 列举了d s p a c e 平台中对应的计数定时器。 5 主机接口 d s l1 0 4 通过主机接口，插入计算机的p c i 插槽，用于计算机与d s l l 0 4 数据传输。 表2 3d s p a c e 定时器单元 定时器名称 功能 时间基计数器b c l k 4 驱动的6 4 位全速增计数器，进行相对及绝对时间的测量 b c l k 2 驱动的3 2 位减计数器，触发周期性认为，计数n o 时产生一个定时中断， 定时器a 自动装载。 第1 0 页 第二章d s p a c e 仿真平台介绍 b c l k 4 驱动的3 2 位增计数器，周期可以选择，触发非周期性任务，产生定时 定时器b 器中断后自动重装。 b c l k 2 驱动的3 2 位减计数器，周期可以选择，触发周期性任务，计数为一1 时 减数器 产生定时中断，然后重装。 小结 本章从软件和硬件两方面分别介绍7 d s p a c e 实物仿真平台，在此基础上，论文介绍了基于 d s p a c e 实物仿真平台的控制系统开发所需软件以及软件实现的基本流程。 第1 1 页 东南大学硕士学位论文 第三章d s p m 电机调速系统的基本理论 d s p m 电机是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在9 0 年代出现的一种新型的电机。 它最早由美国著名电机专家t a l i p o 等人于1 9 9 2 年首先提出”。，并进行了初步的理论和实 验研究，此后，欧美一些国家也相继开展了对d s p m 电机及其控制系统的研制工作。随着现 代电力电子、自动控制技术的不断进步，新型永磁材料不断涌现，d s p m 电机由于功率密度 高、效率高、结构简单、控制灵活等一系列优点，正受到了国内外学者的广泛关注。 d s p m 电机的定、转子外形结构与开关磁阻电机相似，呈双凸极结构，但在定子( 或转子) 上放有永磁体，所以运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别“”1 。国内外研 究表明，在额定功率相同、夕 形尺寸基本一致的情况下，d s p m 电机的转矩电流比可达开关 磁阻电机的1 7 倍，永磁无刷直流电机的1 7 倍，永磁同步电机的1 2 倍，感应电机的3 2 倍； 转矩惯量比可达开关磁阻电机的1 4 倍，永磁无刷直流电机的5 8 倍，永磁同步电机的3 6 倍，感应电机的1 0 倍，而其永磁材料用量不到永磁无刷直流电机和永磁同步电机的一半“。 从上述结果可看出d s p m 电机具有许多优点，应用前景十分广泛。 3 1d s p m 电机的基本结构和工作原理 d s p m 结构与开关磁阻电机十分相似，定子和转子均为凸极，定、转子铁芯均由硅钢片 叠压而成。定子上安放有集中式绕组，而转子上无绕组，结构简单可靠，定转子极数不相等。 为了避免单边磁拉力，定转子沿径向是对称的，所以d s p m 电机的定转子